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The mystery of homochirality on earth

  • Homochirality is an obvious feature of life on Earth. On the other hand, extraterrestrial samples contain largely racemic compounds. The same is true for any common organic synthesis. Therefore, it has been a perplexing puzzle for decades how these racemates could have formed enantiomerically enriched fractions as a basis for the origin of homochiral life forms. Numerous hypotheses have been put forward as to how preferentially homochiral molecules could have formed and accumulated on Earth. In this article, it is shown that homochirality of the abiotic organic pool at the time of formation of the first self-replicating molecules is not necessary and not even probable. It is proposed to abandon the notion of a molecular ensemble and to focus on the level of individual molecules. Although the formation of the first self-replicating, most likely homochiral molecule, is a seemingly improbable event, on a closer look, it is almost inevitable that some homochiral molecules have formedHomochirality is an obvious feature of life on Earth. On the other hand, extraterrestrial samples contain largely racemic compounds. The same is true for any common organic synthesis. Therefore, it has been a perplexing puzzle for decades how these racemates could have formed enantiomerically enriched fractions as a basis for the origin of homochiral life forms. Numerous hypotheses have been put forward as to how preferentially homochiral molecules could have formed and accumulated on Earth. In this article, it is shown that homochirality of the abiotic organic pool at the time of formation of the first self-replicating molecules is not necessary and not even probable. It is proposed to abandon the notion of a molecular ensemble and to focus on the level of individual molecules. Although the formation of the first self-replicating, most likely homochiral molecule, is a seemingly improbable event, on a closer look, it is almost inevitable that some homochiral molecules have formed simply on a statistical basis. In this case, the non-selective leap to homochirality would be one of the first steps in chemical evolution directly out of a racemic “ocean”. Moreover, most studies focus on the chirality of the primordial monomers with respect to an asymmetric carbon atom. However, any polymer with a minimal size that allows folding to a secondary structure would spontaneously lead to asymmetric higher structures (conformations). Most of the functions of these polymers would be influenced by this inherently asymmetric folding. Furthermore, a concept of physical compartmentalization based on rock nanopores in analogy to nanocavities of digital immunoassays is introduced to suggest that complex cell walls or membranes were also not required for the first steps of chemical evolution. To summarize, simple and universal mechanisms may have led to homochiral self-replicating systems in the context of chemical evolution. A homochiral monomer pool is deemed unnecessary and probably never existed on primordial Earth.zeige mehrzeige weniger
  • Homochiralität ist ein offensichtliches Merkmal des Lebens auf der Erde. Andererseits enthalten extraterrestrische Proben überwiegend racemische Verbindungen. Dasselbe gilt für jede gängige organische Synthese. Daher war es jahrzehntelang ein Rätsel, wie diese Racemate enantiomeren-angereicherte Fraktionen als Grundlage für den Ursprung homochiraler Lebensformen bilden konnten. Zahlreiche Hypothesen wurden aufgestellt, wie sich bevorzugt homochirale Moleküle auf der Erde gebildet und angereichert haben könnten. In diesem Artikel wird gezeigt, dass Homochiralität des abiotischen organischen Pools zum Zeitpunkt der Bildung der ersten selbstreplizierenden Moleküle nicht notwendig und nicht einmal wahrscheinlich ist. Es wird vorgeschlagen, die Vorstellung eines molekularen Ensembles aufzugeben und sich auf die Ebene der einzelnen Moleküle zu konzentrieren. Obwohl die Bildung des ersten selbstreplizierenden, höchstwahrscheinlich homochiralen Moleküls ein scheinbar unwahrscheinlichesHomochiralität ist ein offensichtliches Merkmal des Lebens auf der Erde. Andererseits enthalten extraterrestrische Proben überwiegend racemische Verbindungen. Dasselbe gilt für jede gängige organische Synthese. Daher war es jahrzehntelang ein Rätsel, wie diese Racemate enantiomeren-angereicherte Fraktionen als Grundlage für den Ursprung homochiraler Lebensformen bilden konnten. Zahlreiche Hypothesen wurden aufgestellt, wie sich bevorzugt homochirale Moleküle auf der Erde gebildet und angereichert haben könnten. In diesem Artikel wird gezeigt, dass Homochiralität des abiotischen organischen Pools zum Zeitpunkt der Bildung der ersten selbstreplizierenden Moleküle nicht notwendig und nicht einmal wahrscheinlich ist. Es wird vorgeschlagen, die Vorstellung eines molekularen Ensembles aufzugeben und sich auf die Ebene der einzelnen Moleküle zu konzentrieren. Obwohl die Bildung des ersten selbstreplizierenden, höchstwahrscheinlich homochiralen Moleküls ein scheinbar unwahrscheinliches Ereignis ist, ist es bei näherer Betrachtung fast unvermeidlich, dass sich einige homochirale Moleküle einfach auf statistischer Basis gebildet haben. In diesem Fall wäre der nichtselektive Sprung zur Homochiralität einer der ersten Schritte der chemischen Evolution direkt aus einem racemischen "Ozean". Darüber hinaus konzentrieren sich die meisten Studien auf die Chiralität der ursprünglichen Monomere in Bezug auf ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Jedes Polymer mit einer Mindestgröße, die eine Faltung zu einer Sekundärstruktur erlaubt, würde jedoch spontan zu asymmetrischen höheren Strukturen (Konformationen) führen. Die meisten Funktionen dieser Polymere würden durch diese inhärent asymmetrische Faltung beeinflusst. Darüber hinaus wird ein Konzept der physikalischen Kompartimentierung auf der Basis von Gesteinsnanoporen in Analogie zu den Nanokavitäten digitaler Immunoassays vorgestellt, das darauf hindeutet, dass auch für die ersten Schritte der chemischen Evolution keine komplexen Zellwände oder Membranen notwendig waren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einfache und universelle Mechanismen zu homochiralen selbstreplizierenden Systemen im Rahmen der chemischen Evolution geführt haben könnten. Ein homochiraler Monomerpool wird als unnötig angesehen, welcher auf der Urerde wahrscheinlich nie existiert hat.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Michael G. WellerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Life
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.5 Proteinanalytik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Verlagsort:Basel
Jahrgang/Band:14
Ausgabe/Heft:3
Aufsatznummer:341
Erste Seite:1
Letzte Seite:13
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Chemical evolution; Chirality; Compartmentalization; Conformation; Digital immunoassay; Enantiomeric excess ee; Folding chirality; Micrometeorites; Miller and Urey; Murchison meteorite; Peptide folding; Porous rock; Prebiotic chemistry; Primordial soup; Protein folding; Proteinoid; Racemate; Segregation; Self-assembly; Single molecule; Tholins; self-replication
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Umwelt
Umwelt / Umwelt-Material-Interaktionen
DOI:10.3390/life14030341
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-598349
ISSN:2075-1729
Zugehöriger Identifikator:https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-598462
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:10.04.2024
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:10.04.2024
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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