Mimicking C-C bond forming reactions of core metabolism
Reproduction des réactions de formation de liaisons C-C s'opérant au cœur du métabolisme
Résumé
All life forms continuously build up and break down its constituent chemical building blocks, through an energy consuming process called metabolism. Just like a hurricane’s dynamic patterns and its building blocks (air and water) as being equally fundamental to its nature, so too should metabolism’s dynamic chemical patterns and chemical building blocks be viewed as equally characteristic. Traditionally, much chemical research on the origins of life is overly focused on the synthesis of chemical building blocks without sufficiently appreciating their place in life’s larger biochemical self-organization. Life ultimately builds all of its molecules from carbon dioxide, yet it is surprisingly lacking in innovation in this respect. Despite nearly 4 billion years of evolution, autotrophic organisms use only six pathways to build their molecules from CO2. Two of these pathways – the acetyl CoA pathway (also known as the Wood-Ljungdahl pathway) and rTCA cycle (also known as the reverse Krebs cycle) - are thought to be ancestral, with just five molecules within them serving as the universal chemical precursors for all of biochemistry. How and why did these pathways get their start? To answer this question, a systematic search was designed to find simple, non-enzymatic chemical or mineral catalysts and reagents, that can promote the reactions of core anabolism, particularly the acetyl CoA pathway and the rTCA cycle. After finding as many ways as possible to promote each reaction, they could be narrowed down to mutually compatible conditions where many reactions can occur in sequence. The more of core anabolism that can be achieved under a single set of purely chemical conditions, the more likely it is to have constituted early prebiotic chemistry rather than a later product of chemical and biological evolution.
Toutes les formes de vie assemblent et désassemblent continuellement des composés chimiques via un processus de consommation d'énergie appelé métabolisme. Le métabolisme est généralement modélisé en chimie et biologie par un cycle. Ce modèle dynamique traduit la transformation de composés de base en une cascade de produits appelés métabolites. Celui-ci est comparable à un ouragan à l’échelle moléculaire. De manière analogique et imagée un cyclone est constitué de deux éléments, l'air et l'eau, et transforme l’environnement qui l’entoure par un processus endothermique (consommateur d’énergie). Traditionnellement, la recherche chimique sur les origines de la vie est concentrée principalement sur la synthèse de composés chimiques sans suffisamment apprécier leur place dans la plus grande organisation biochimique de la vie. La vie construit toutes ses molécules à partir du dioxyde de carbone, pourtant elle manque étonnamment d'innovation à cet égard. Malgré presque 4 milliards d'années d'évolution, les organismes autotrophes utilisent seulement six voies différentes pour construire leurs molécules à partir du CO2. Parmi elles, deux voies – la voie de l’acétyle CoA (aussi appelée voie Wood-Ljungdahl) et le cycle du rTCA (également appelé le cycle de Krebs inverse) - sont considérées comme primitives, et contiennent les cinq molécules servant de précurseurs chimiques universels pour toute la biochimie. Comment et pourquoi les voies de l’acétyle CoA et du rTCA sont-elles apparues? Pour répondre à cette question, une recherche systématique a été effectuée afin de trouver des catalyseurs chimiques non-enzymatiques ou des minéraux simples, ainsi que des réactifs pouvant promouvoir les réactions d'anabolisme principal, particulièrement la voie de l’Acétyle CoA et le cycle de rTCA. A l’origine, pour créer les molécules organiques complexes comme les enzymes il a fallu que des molécules plus simples avec un moins grand nombre de carbone se forme sur terre et cela à partir du CO2. On peut donc supposer que les premiers produits à plusieurs carbones sont issus de synthèse totalement inorganique comme celles développer dans notre laboratoire, plutôt que d’une évolution chimique et organométallique simultanée, c’est-à-dire une interaction efficace entre une molécule carbonée et un ou plusieurs métaux à l’instar de certains enzymes. Après avoir trouvé autant de façons possible de promouvoir individuellement chaque étapes des cycles catalytiques étudiés, seules les conditions réactionnelles mutuellement compatibles (à savoir des conditions permettant de produire l’ensemble des métabolites dans le bon ordre) ont été retenu.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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