Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om chemische reacties in vloeistoffen te monitoren, waarbij ze licht werpen op reacties waarbij moleculen zoals ureum betrokken zijn die mogelijk hebben bijgedragen aan het ontstaan van leven op aarde. Deze technologie omvat een speciaal apparaat dat een kleine vloeistofstraal en röntgenspectroscopie produceert, waardoor wetenschappers reacties kunnen bestuderen die in slechts femtoseconden plaatsvinden.
Wetenschappers van ETH Zürich en de Universiteit van Genève hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee ze chemische reacties in vloeistoffen met extreem hoge temporele resolutie kunnen volgen. Met deze innovatie kunnen ze volgen hoe de moleculen binnenin slechts femtoseconden veranderen, met andere woorden, binnen een paar biljardsten van een seconde.
Deze doorbraak bouwt voort op eerder onderzoek door hetzelfde team onder leiding van Hans-Jacob Werner, hoogleraar fysische chemie aan de ETH Zürich. Dit werk heeft resultaten opgeleverd die vergelijkbaar zijn met reacties die plaatsvinden in gasvormige omgevingen.
Om röntgenspectroscopiewaarnemingen uit te breiden naar vloeistoffen, moesten de onderzoekers een apparaat ontwerpen dat in een vacuüm een vloeistofstraal met een diameter van minder dan één micrometer kon produceren. Dit was nodig omdat als de stroom breder zou zijn, deze een deel van de röntgenstralen zou absorberen die werden gebruikt om deze te meten.
Moleculaire pionier in de biochemie
Met de nieuwe methode konden de onderzoekers inzicht krijgen in de processen die hebben geleid tot het ontstaan van leven op aarde. Veel wetenschappers veronderstellen dat ureum hierbij een cruciale rol speelde. Het is een van de eenvoudigste moleculen die koolstof en stikstof bevat.
Bovendien is het zeer waarschijnlijk dat ureum al bestond toen de aarde nog heel jong was, wat ook werd gesuggereerd door een beroemd experiment dat in de jaren vijftig werd uitgevoerd: de Amerikaanse wetenschapper Stanley Miller bereidde een mengsel van die gassen waarvan hij geloofde dat ze de primitieve elementen van de aarde vormden. de planeet. De atmosfeer en de blootstelling aan onweersomstandigheden. Hierdoor ontstond een reeks moleculen, waaronder ureum.
Volgens de huidige theorieën zou ureum verrijkt kunnen zijn in warme poelen – gewoonlijk oersoep genoemd – op de toen levenloze aarde. Naarmate het water in deze soep verdampte, nam de ureumconcentratie toe. Door blootstelling aan ioniserende straling zoals kosmische straling kan dit geconcentreerde ureum malonzuur hebben geproduceerd zuur Via meerdere synthetische stappen. Dit kan op zijn beurt de bouwstenen hebben gecreëerd RNA En DNA.
Waarom vond deze reactie precies plaats?
Met behulp van hun nieuwe methode onderzochten onderzoekers van ETH Zürich en de Universiteit van Genève de eerste stap in deze lange keten van chemische reacties om te zien hoe een geconcentreerde ureumoplossing zich gedraagt bij blootstelling aan ioniserende straling.
Het is belangrijk om te weten dat de ureummoleculen die aanwezig zijn in een geconcentreerde ureumoplossing gegroepeerd zijn in paren, of zogenaamde dimeren. Onderzoekers hebben nu kunnen bewijzen dat ioniserende straling waterstof veroorzaakt maïs Binnen elk van deze dimeren gaat het van het ene ureummolecuul naar het andere. Hierdoor wordt het ene ureummolecuul omgezet in een geprotoneerd ureummolecuul en het andere in een ureumradicaal. Dit laatste is chemisch zeer reactief – zo reactief zelfs dat het waarschijnlijk zal reageren met andere moleculen, waardoor ook malonzuur ontstaat.
De onderzoekers konden ook aantonen dat deze overdracht van een waterstofatoom zeer snel plaatsvindt en slechts ongeveer 150 femtoseconden in beslag neemt, oftewel 150 biljardsten van een seconde. “Dit gaat zo snel dat deze reactie alle andere reacties uitsluit die theoretisch ook zouden kunnen optreden”, zegt Forner. “Dit verklaart waarom geconcentreerde ureumoplossingen ureumradicalen produceren in plaats van andere reacties te organiseren die andere moleculen zouden produceren.”
Interacties in vloeistoffen zijn van groot belang
In de toekomst willen Forner en zijn collega’s de volgende stappen bestuderen die leiden tot de vorming van malonzuur. Ze hopen dat dit hen zal helpen de oorsprong van het leven op aarde te begrijpen.
Hun nieuwe methode kan ook algemener worden gebruikt om de precieze volgorde van chemische reacties in vloeistoffen te onderzoeken. “In vloeistoffen vinden een hele reeks belangrijke chemische reacties plaats, niet alleen alle biochemische processen in het menselijk lichaam, maar ook veel industrieel relevante chemische combinaties”, zegt Forner. “Daarom is het zo belangrijk dat we de reikwijdte van röntgenspectroscopie met hoge temporele resolutie nu uitbreiden met reacties in vloeistoffen.”
Referentie: “Femtoseconde protonoverdracht in ureumoplossingen onderzocht door röntgenspectroscopie” door Zhong Yin, Yi-Ping Zhang, Tadas Balciunas, Yashuj Shakya, Alexa Djurovic, Jeffrey Goller, Giuseppe Fazio, Ruben Santra, Ludger Inhester, Jan Pierre Wolff en Hans Jacob Werner, 28 juni 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06182-6
Onderzoekers van ETH Zürich en de Universiteit van Genève werden bij dit werk bijgestaan door collega’s van Deutsches Elektronen-Synchrotron. Madeliefje in Hamburg, die de nodige berekeningen uitvoerde om de meetgegevens te interpreteren.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
