Analysis of Simulated Interstellar Ices
Ever since the identification of DNA by Watson & Crick as the genetic material and the elucidation of its unique information bearing structure there have been many speculations as to the evolutionary origin of this material. Now, chemical analyses of simulated interstellar ices, submitted to ultraviolet photochemistry has led to the identification of diamino acids, a new class of organic compounds. Diamino acids show a great evolutionary potential, since they were shown to form peptide nucleic acid (PNA). PNA is a potential molecular structure from which ribonucleic acid RNA and deoxyribonucleic acid DNA may have developed in distinct evolutionary processes.
The research group of Professor Uwe Meierhenrich and Dr. Cornelia Meinert analyzed simulated interstellar ices at the Chemistry Institute (CNRS UMR 7272) of the University of Nice Sophia Antipolis, France. Samples have been produced by the research group of Dr. Louis Le Sergeant d’Hendecourt and his former graduate student Pierre de Marcellus at the Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS UMR 8617), Paris, France. The two scientists in Nice have applied an analytical procedure developed very recently: some micrograms of simulated cometary ices in the form of organic residues were produced in Paris, by approaching interstellar conditions such as low temperature, low pressure and ultraviolet irradiation, common in interstellar space. Under ultra-clean conditions these samples were then transported to Nice, extracted and subjected to analysis by a new multidimensional GCxGC/TOF-MS instrument installed at the Institute of Chemistry ICN.
Multidimensional GC Detects Diamino Acids
Surprisingly, the application of this technique enabled the researchers to identify 26 amino acids in the cometary ice analogue. Among them the so-called diamino acids, a special class of amino acids with an additional amino group were found. Diamino acids are thought to be of central importance in prebiotic chemical processes possibly linked to the origin of life, particularly to the origin of the genetic material. Results of molecular biological studies propose that DNA was preceded by RNA which itself was very probably preceded by peptide nucleic acids (PNA). One of the potential PNA backbones is composed of aminoethyl-glycine, a diamino acid now for the first time detected in these simulated interstellar ices. The fascinating results of this French study propose that the molecular building blocks of the potentially first genetic material may be abundant in interstellar/cometary environments.
So far, this “new” and fascinating class of amino acids could hitherto not be identified in samples of simulated interstellar ices. The reason for this is probably to be found in the applied analytical procedure. Until today, for the analyses of interstellar samples and meteorites mostly classical one-dimensional gas chromatography was used. At the University of Nice Sophia Antipolis, scientists used multidimensional gas chromatography, suitable for the separation and identification of numerous amino and diamino acids.
The detection of diamino acids in organic residues of interstellar ice analogs enables us to explore new routes to interpret prebiotic chemical evolution. The results are new clues for the assumption that organic ingredients of living systems had been delivered via (micro-) meteorites and comets to the Early Earth from regions of the interstellar medium. After transport, these molecules may have participated in the initial prebiotic reactions which turned out to be of central importance for the origin of life on Earth.
Image: © Wiley-VCH
- N-(2-Aminoethyl)-glycine and Amino Acids in Interstellar Ice Analogues,
C. Meinert, J.-J. Filippi, P. de Marcellus, L. Le Sergeant d’Hendecourt, U. J. Meierhenrich,
ChemPlusChem 2012, 77.
DOI: 10.1002/cplu.201100048
French Version below
Des briques ancêtres du matériel génétique découverts dans un cosmos artificiel
Depuis la découverte de l’ADN et sa structure en double hélice porteuse de l’information génétique par Watson & Crick en 1953, on n’en sait encore que très peu sur l’origine de cette molécule et sur les voies de chimie prébiotique qui en ont permis l’apparition. On pense aujourd’hui que c’est au niveau moléculaire que se trouve la clé pour le développement de structures prébiotiques biomoléculaires telles que celles des protéines et de l’ADN. On sait également que des acides aminés comme l’alanine, la glycine, la valine, la proline, l’acide aspartique, la sérine, etc. sont présents dans certaines météorites et dans la glace interstellaire simulée où des processus de photochimie sont réalisés, imitant une irradiation ultraviolette par les étoiles environnantes. Ces acides aminés, totalement abiotiques dans ces expériences, sont connus pour être les composants moléculaires de base des protéines.
Le groupe de recherche du Pr. Uwe Meierhenrich et de Cornelia Meinert (Université de Nice Sophia Antipolis, CNRS UMR 7272) et de Louis Le Sergeant d’Hendecourt (Institut d’Astrophysique Spatiale, CNRS UMR 8617, Paris-Orsay) et son ancien étudiant en thèse, Pierre de Marcellus, ont collaboré étroitement pour l’analyse de la matière interstellaire/cométaire simulée en laboratoire. Les chercheurs de Nice ont utilisé une nouvelle technique d’analyse. Dans un laboratoire équipé d’une salle propre, les chercheurs ont dissout dans de l’eau ultra pure quelques microgrammes de cette matière organique interstellaire simulée, et analysé l’extrait obtenu avec un instrument de GCxGC/TOF-MS énantiosélectif très performant.
Les résultats de ces analyses sont surprenants : une nouvelle classe d’acides aminés a été identifiée. Ce sont des acides aminés ayant un groupe amine supplémentaire, les acides diaminés. Ces acides diaminés jouent vraisemblablement un rôle central dans les processus moléculaires prébiotiques liés à l’origine de la vie, en particulier dans l’évolution chimique de la matière génétique. Des études biomoléculaires suggèrent que l’ARN est apparu avant l’ADN, et que l’ARN lui-même est peut-être issu de l’APN, un acide peptidique nucléique dont le squelette est constitué d’acides diaminés. Les résultats de l’équipe franco-allemande suggèrent donc que les composants moléculaires de l’ancêtre de la matière génétique sont déjà présents dans le milieu interstellaire et dans les comètes.
Jusqu’à aujourd’hui cette nouvelle classe d’acides aminés n’était pas identifiée dans les échantillons de la glace interstellaire simulée. Ceci est dû au fait que les techniques traditionnelles comme la chromatographie monodimensionnelle n’était pas adaptée aux séparations de multiples composés. Le groupe de recherche du Pr. Uwe Meierhenrich et Cornelia Meinert a utilisé la chromatographie multidimensionnelle pour obtenir ces résultats inattendus.
L’identification des acides diaminés dans l’échantillon organique issu de la glace interstellaire simulée ouvre la voie à de nouvelles interprétations de l’évolution chimique, et soutiennent l’hypothèse selon laquelle les constituants moléculaires de la vie sont synthétisés dans le milieu interstellaire et/ou le nuage moléculaire qui en s’effondrant a formé notre Soleil. Transportés sur la Terre primitive par la chute de (micro-) météorites et de comètes et y trouvant un environnement favorable, en particulier de l’eau liquide, ces constituants élémentaires auraient lors participé aux réactions chimiques prébiotiques, à l’origine de la transition vers la vie.
- N-(2-Aminoethyl)-glycine and Amino Acids in Interstellar Ice Analogues,
C. Meinert, J.-J. Filippi, P. de Marcellus, L. Le Sergeant d’Hendecourt, U. J. Meierhenrich,
ChemPlusChem 2012, 77.
DOI: 10.1002/cplu.201100048
