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Zitation: Carell, Thomas: Abschlussbericht für DFG Projekt 326039064 "Präbiotische Szenarien für den Ursprung von Pyrimidin Nukleosiden und Paarungssystemen". September 2025. Open Data LMU. 10.5282/ubm/data.687

Abschlussbericht für DFG Projekt 326039064 "Präbiotische Szenarien für den Ursprung von Pyrimidin Nukleosiden und Paarungssystemen"
Abschlussbericht für DFG Projekt 326039064 "Präbiotische Szenarien für den Ursprung von Pyrimidin Nukleosiden und Paarungssystemen"

In dem Projekt gelang es uns, ein neues Modell zu entwickeln, wie auf der frühen Erde die präbiotische Synthese von Pyrimidin-Nukleosiden hat gelingen können. Bislang benötigte man für derartige präbiotische Synthesen eine stark reduzierende H2-Atmosphäre, die es so auf der frühen Erde entweder gar nicht, oder nur für kurze Zeit und möglicherweise dann sogar nur lokal gegeben hat. Wir konnten zeigen, dass in einer realistischeren Ur-Atmosphäre aus CO2, Wasserdampf, N2 und SO2 (aus Vulkanemissionen), sich unter Einwirkung und UV-Licht und durch Blitzentladungen, verschiedene Aldehyde wie Formaldehyd und Glycolaldehyd bilden. Blitze aktivieren dabei den Stickstoff zur Reaktion mit Wasserdampf zu NO. Dieses NO bildet dann zusammen mit den Aldehyden über Hydroxylamin als Zwischenstufe zunächst Aldoxime, aus denen durch Wassereliminierung Nitrile entstehen. Dieses sind dann die Ausgangsverbindungen für die Bildung von z.B. Serin-Aminonitril. Wir konnten zeigen, dass diese Verbindung zu Isoxazolen reagieren und dass Isoxazole wiederum hervorragende Ausgangsverbindungen sind für die Pyrimidin-Basen Cytidin und Uridin. Wir konnten zeigen, dass auch nicht kanonische Purin- und Pyrimidin-Basen gebildet werden und dass diese als Aminosäure Donor- und Akzeptorbasen auftreten können und Aminosäureübertragungsreaktionen direkt an der RNA möglichen. RNA synthetisierte in unserem Experiment Peptide direkt an sich selber(!) und etabliert so eine RNA-Peptid Welt, von der aus sich das Leben hat entwickeln können. Diese Aminosäure-Übertragungsreaktion erlaubt es erstmals eine primitive Urtranslation nachzustellen, aus der sich dann das Ribosom möglicherweise hat entwickeln können. Zu guter Letzt konnten wir zeigen, dass solche Synthesen direkt an der RNA dann besonders gut gelingen, wenn die Aminosäuren L-konfiguriert sind, was erklärt, warum Nukleinsäuren, die aus D-Zuckern bestehen, Peptide und Proteine liefern, die ausschließlich aus L-Aminosäuren aufgebaut sind.

In this project, we succeeded in developing a new model for how the prebiotic synthesis of pyrimidine nucleosides could have taken place on the early Earth. Up until now, such prebiotic syntheses required a strongly reducing H₂-atmosphere, which likely did not exist on the early Earth, or only for short periods and possibly only locally. We were able to show that, in a more realistic primordial atmosphere composed of CO₂, water vapor, N₂, and SO₂ (from volcanic emissions), various aldehydes such as formaldehyde and glycolaldehyde can form under the influence of UV light and lightning discharges. Lightning activates nitrogen to react with water vapor to produce NO. This NO then reacts with the aldehydes, via hydroxylamine as an intermediate, to initially form aldoximes, which, through the elimination of water, yield nitriles. These nitriles are the starting compounds for the formation of, for example, serine aminonitrile. We showed that this compound can react to form isoxazoles, and that isoxazoles, in turn, are excellent precursors for the pyrimidine bases cytidine and uridine. We were also able to demonstrate the formation of non-canonical purine and pyrimidine bases, which can act as amino acid donor and acceptor bases, enabling amino acid transfer reactions directly on RNA. RNA can thus synthesize peptides directly on itself (!), establishing an RNA-peptide world from which life could have evolved. This amino acid transfer reaction makes it possible, for the first time, to reconstruct a primitive form of early translation, from which the ribosome might have evolved. Finally, we were able to show that such syntheses occur particularly efficiently on RNA when the amino acids are L-configured, which explains why nucleic acids composed of D-sugars produce peptides and proteins consisting exclusively of L-amino acids.

Präbiotische Chemie, Nukleinsäuren, DFG, Abschlussbericht
Carell, Thomas
2025

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Vorschau
 PDF (Abschlussbericht "Präbiotische Szenarien für den Ursprung von Pyrimidin Nukleosiden und Paarungssystemen")
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693kB

DOI: 10.5282/ubm/data.687

Dieser Datensatz steht unter der Creative Commons Lizenz
CC BY 4.0

Be­schrei­bung

In dem Projekt gelang es uns, ein neues Modell zu entwickeln, wie auf der frühen Erde die präbiotische Synthese von Pyrimidin-Nukleosiden hat gelingen können. Bislang benötigte man für derartige präbiotische Synthesen eine stark reduzierende H2-Atmosphäre, die es so auf der frühen Erde entweder gar nicht, oder nur für kurze Zeit und möglicherweise dann sogar nur lokal gegeben hat. Wir konnten zeigen, dass in einer realistischeren Ur-Atmosphäre aus CO2, Wasserdampf, N2 und SO2 (aus Vulkanemissionen), sich unter Einwirkung und UV-Licht und durch Blitzentladungen, verschiedene Aldehyde wie Formaldehyd und Glycolaldehyd bilden. Blitze aktivieren dabei den Stickstoff zur Reaktion mit Wasserdampf zu NO. Dieses NO bildet dann zusammen mit den Aldehyden über Hydroxylamin als Zwischenstufe zunächst Aldoxime, aus denen durch Wassereliminierung Nitrile entstehen. Dieses sind dann die Ausgangsverbindungen für die Bildung von z.B. Serin-Aminonitril. Wir konnten zeigen, dass diese Verbindung zu Isoxazolen reagieren und dass Isoxazole wiederum hervorragende Ausgangsverbindungen sind für die Pyrimidin-Basen Cytidin und Uridin. Wir konnten zeigen, dass auch nicht kanonische Purin- und Pyrimidin-Basen gebildet werden und dass diese als Aminosäure Donor- und Akzeptorbasen auftreten können und Aminosäureübertragungsreaktionen direkt an der RNA möglichen. RNA synthetisierte in unserem Experiment Peptide direkt an sich selber(!) und etabliert so eine RNA-Peptid Welt, von der aus sich das Leben hat entwickeln können. Diese Aminosäure-Übertragungsreaktion erlaubt es erstmals eine primitive Urtranslation nachzustellen, aus der sich dann das Ribosom möglicherweise hat entwickeln können. Zu guter Letzt konnten wir zeigen, dass solche Synthesen direkt an der RNA dann besonders gut gelingen, wenn die Aminosäuren L-konfiguriert sind, was erklärt, warum Nukleinsäuren, die aus D-Zuckern bestehen, Peptide und Proteine liefern, die ausschließlich aus L-Aminosäuren aufgebaut sind. In this project, we succeeded in developing a new model for how the prebiotic synthesis of pyrimidine nucleosides could have taken place on the early Earth. Up until now, such prebiotic syntheses required a strongly reducing H₂-atmosphere, which likely did not exist on the early Earth, or only for short periods and possibly only locally. We were able to show that, in a more realistic primordial atmosphere composed of CO₂, water vapor, N₂, and SO₂ (from volcanic emissions), various aldehydes such as formaldehyde and glycolaldehyde can form under the influence of UV light and lightning discharges. Lightning activates nitrogen to react with water vapor to produce NO. This NO then reacts with the aldehydes, via hydroxylamine as an intermediate, to initially form aldoximes, which, through the elimination of water, yield nitriles. These nitriles are the starting compounds for the formation of, for example, serine aminonitrile. We showed that this compound can react to form isoxazoles, and that isoxazoles, in turn, are excellent precursors for the pyrimidine bases cytidine and uridine. We were also able to demonstrate the formation of non-canonical purine and pyrimidine bases, which can act as amino acid donor and acceptor bases, enabling amino acid transfer reactions directly on RNA. RNA can thus synthesize peptides directly on itself (!), establishing an RNA-peptide world from which life could have evolved. This amino acid transfer reaction makes it possible, for the first time, to reconstruct a primitive form of early translation, from which the ribosome might have evolved. Finally, we were able to show that such syntheses occur particularly efficiently on RNA when the amino acids are L-configured, which explains why nucleic acids composed of D-sugars produce peptides and proteins consisting exclusively of L-amino acids.

Stichwörter

Präbiotische Chemie, Nukleinsäuren, DFG, Abschlussbericht

Quellenangaben

[1] F. Müller, L. Escobar, F. Xu, E. Węgrzyn, M. Nainytė, T. Amatov, C.-Y. Chan, A. Pichler, T. Carell Nature 2022, 10.1038/s41586-022-04676-3. "A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world." [2] J. N. Singer, F. M. Müller, E. Węgrzyn, C. Hölzl, H. Hurmiz, C. Liu, L. Escobar, T. Carell Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 10.1002/anie.202302360. "Loading of Amino Acids onto RNA in a Putative RNA-Peptide World." [3] F. Xu, S. Wiedemann, J. Feldmann, S. Becker, T. Carell ChemistryEurope 2023, 10.1002/ceur.202300057. "An Aminoisoxazole-Based Proto-RNA." [4] J. Feldmann, M. K. Skaanning, M. Lommel, T. Kernmayr, P. Mayer, T. Carell ChemistryEurope. 2023, 10.1002/ceur.202300013. "A Unifying Concept for the Prebiotic Formation of RNA Pyrimidine Nucleosides." [5] E. Węgrzyn, I. Mejdrová, F. Müller, M. Nainytė, L. Escobar, T. Carell Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 10.1002/anie.202319235. "RNA-Templated Peptide Bond Formation Promotes L-Homochirality." [6] E. Węgrzyn, I. Mejdrova, T. Carell Chem. Sci. 2024, 10.1039/d4sc03384a. "Gradual evolution of a homo-L-peptide world on homo-D-configured RNA and DNA." [7] I. Mejdrova, E. Węgrzyn, T. Carell Chem. - Asian J. 2024, 10.1002/asia.202401074. "Step-by-Step Towards Biological Homochirality – from Prebiotic Randomness To Per-fect Asymmetry." [8] A. Pichler, M. Hillmeier, M. Heiss, E. Peev, S. Xefteris, B. Steigenberger, I. Thoma, M. Müller, M. Borsò, A. Imhof, T. Carell. J. Am. Chem. Soc. 2023, 10.1021/jacs.3c10075. "Synthesis and Structure Elucidation of Glutamyl-Queuosine." [9] N. Diukarev, E. Boinowitz, J. Feldmann, S. Wiedemann, A. Mikheev, S. Becker, T. Carell. Angew. Chem. Int. Ed 2025, accepted. "The Origin of the Feedstock Molecules for Life on the Hadean Earth”

Dokumententyp:Sonstiges
Name der Kontakt­person:Carell, Thomas
E-Mail der Kontaktperson:thomas.carell at lmu.de
URL der Kontaktperson:https://www.carellgroup.de
Fächer:Chemie und Pharmazie
Dewey Dezimal­klassi­fikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
ID Code:687
Eingestellt von: Prof. Dr. Thomas Carell
Eingestellt am:25. Sep. 2025 09:43
Letzte Änderungen:25. Sep. 2025 09:43

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