The emergence of life on Earth: recent advances, old problems

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1 The emergence of life on Earth: recent advances, old problems Antonio Lazcano Facultad de Ciencias, UNAM Mexico, D.F., MEXICO Bologna 2007

2 La scala temporale dell origine della vita sulla terra Raffreddamento della Terra Impatto di meteoriti? Reperti fossili Età della Terra (miliardi di anni fa)

3 The origin of life was a) autotrophic capable of synthesizing its own components from CO 2 b) heterotrophic formed from a primitive soup c) extraterrestrial came from outer space (panspermia)

4 Un origine eterotrofa della vita? atmosfera riducente sintesi di composti organici zuppa primordiale eterotrofi primordiale

5 Some interstellar molecules H 2, OH, SiS, HCl, NaCl, KCl, CH, CH+, CN, CO, CS, C 2 H 2 O, H 2 S, N 2 H+, SO 2, HCO+, HCN, C 2 H, C 3, C 2 O, COS NH 3, H 2 CO, HNCO, H 2 CS, C 2 H 2 SiH 4, HC 3 N, H 2 CN, CH 4, C 5, H 2 C=C=O, HCOOH, HNCO CH 3 OH, CH 3 CCN, HCONH 2 CH 3 COH, CH 3 C 2 H, CH 3 NH 2, H 2 CCHCN, HC 5 N HCOOCH 3, CH 3 CH 2, (CH 3 ) 2 O, HCN 7 N HC 9 N, HC 11 N

6 Laepis ex caelis: il meteorite di Murchison, antico di 4.6 miliardi di anni Australia, 28 settembre, 1969

7 Composti presenti nel meteorite di Murchison Idrocarburi aromatici Alcoli (C 1 -C 4 ) Idrocarburi alifatici Acidi solfonici Aldeidi (C 2 -C 4 ) Polioli (C 2 -C 4 ) Acidi fosfonici!! Acidi monocarbossilici (C 1 -C 8 ) Chetoni (C 3 -C 5 ) Acidi dicarbossilici (C 2 -C 5 ) Amine (C 1 -C 4 ) Idrossiacidi (C 2 -C 9 ) Aminoacidi! Piridine Urea Chinoline Purine Polipirroli Pirimidine

8 L atmosfera prebiotica di Urey C + 2H 2 -> CH 4 N 2 + 3H 2 -> NH 3 O 2 + 2H 2 -> H 2 O S + H 2 -> H 2 S CO 2 + 6H 2 -> CH 4 + 2H 2 O

9 L esperimento di Miller nel 1953

10 Miller, 1953 Sintesi prebiotiche di aminoacidi

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13 Types of planetary atmospheres Reducing:CH 4, NH 3, N 2, H 2 O, H 2 CO 2, N 2, H 2 O, H 2 CO 2, H 2, H 2 O Neutral: CO 2, N 2, H 2 O Oxidizing: CO 2, N 2, H 2 O, O 2

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15 Prebiotic organic synthesis in neutral planetary atmospheres Experimental conditions: Products: 100 ml water 100 mm CO 2 /100 mm N 2 48 hrs, 23 o C HCN, NH 3, HCHO, CH 3 CHO, HOCCHO, HOCCO 2 H plus HNO 2, HNO 3 and, of course, negligible yields of amino acids (approx %) Bada, G. L., Chalmers, J., Cleaves, H. J., Lazcano, A. & Miller, S. L., in prep.

16 Prebiotic synthesis under reducing and neutral conditions CO 2, N 2 & H 2 O (Bada, Chalmers, Cleaves, Lazcano & Miller, 2006) CH 4, NH 3, H 2 & H 2 O (Miller, 1953)

17 Prebiotic organic synthesis in neutral planetary atmospheres I. amino acid standard II. CO 2 /N 2 not sparked III. CO 2 /N 2 + CaCO 3, sparked, hydrolyzed with no ascorbate IV. CO 2 /N 2 sparked, hydrolyzed with no ascorbate V. CO 2 /N 2 + CaCO 3, sparked, hydrolyzed, ascorbate (1) DL aspartic acid; (2) DL glutamic acid; (3) DL serine; (4) glycine; (5)!- alanine; (6) DL alanine; (7) "-amino isobutyric acid; (8) DL norleucine (internal standard)

18 5 HCN adenina Joan Oro

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20 5 HCN adenina Joan d Oro

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22 Chromatogram of NH 4 CN polymerization at 80 C Borquez, Cleaves, Lazcano & Miller (2004) Origins Life Evol. Biosph. 35: 537

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24 Sintesi prebiotiche che funzionano 1. Aminoacidi dalla sintesi di Strecker! 2. Purine dalla polimerizzazione di HCN! 3. Pirimidine da cianoacetilene & urea! 4. Zuccheri dalla polimerizzazione di HCHO!

25 Abiotic synthesis under hydrothermal vent conditions FeS + H 2 S = FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S -> FeS 2 + H 2 NiS/FeS 2CH 3 -SH + CO! CH 3 CO(SCH 3 ) + H 2 S NiS/FeS CH 3 -SH + CO + H 2 O! CH 3 -COOH + H 2 S amino acids + CO NiS/FeS dipeptides

26 An extraterrestrial origin of organic compounds? The Murchison meteorite Meteor Crater, Arizona

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28 Chyba & Sagan (1992)

29 Prebiotic sources of organic compounds 1) anoxic interfase ocean/atmosphere 2) input in meteorites! 3) high-temperature vent chemistry

30 Troppi cuochi hanno rovinato la zuppa?

31 CH 4 NH 3 HCN materiale organico extraterrestre pirite zuppa primitiva

32 Bada & Lazcano (2002) Science 296: 1982 organics from space

33 *U *A *A *A A U U A *U *U *U *A montmorillonite Ferris 2002

34 L appaiamento delle basi é gratis

35 Orgel, 2004

36 Mendeleyev e l origine abiotica dell olio Fe 3 C + H 2 O idrocarburi

37 Dagli idrocarburi ai composti anfifilici 1) Fe 3 C + H 2 O alcani + alcheni 2) alcheni condizioni acide alcoli

38 hydrophobic hydrophilic

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40 I dati suggeriscono che prima dell origine della vita già esistevano:!molti agenti catalitici diversi!polimeri con sequenze di nucleobasi! composti capaci di formare membrane

41 CO 2, CO, N 2, H 2 S, H 2 O, CH 4 amino acids, nucleobases, sugars, lipids, oligomers of biochemical compounds CO 2, NH 3, H 2 S, H 2 O Lazcano, Natural History (Feb/2006)

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43 DNA DNA RNA protein

44 The RNA world hypothesis replicative RNA catalytic RNA plus many other things: amino acids, lipids, sugars, clays, metallic cations, etc!

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46 Butlerov s formose reaction H 2 CO OH - sugars

47 Decker et al (1982)

48 Preferential sequestration of ribose by boron: the key to a prebiotic origin of the RNA world? Prieur (2001) C.R.Acad. Sci. Chimie 4: 667 Ricardo et al. (2004) Science 303: 194

49 other aldopentoses ribose ribose hexoses Sacerdote & Szostak, 2005

50 RNA world Unknown prebiotic chemical processes? Evolutionary outcome of pre-rna worlds?

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53 Alcune capacità catalitiche dell RNA Piccoli ribozimi possono esibire capacità replicative (Strobel, 2001) L Rna ribosomale catalizza la formazione del legame peptidico (Moore & Steitz, 2002)

54 DNA, RNA & proteins RNA + proteins RNA world?

55 DesMarais (2005) Nature 437: 827