76
Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire)

Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) 

Page 2: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Shrimp (Cypridina hilgendorfii) uses bioluminescent vomit to avoid preda6on 

Page 3: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

                                                            41st Saas‐Fee course from Planets to Life 3‐9 April 2011           

Lecture 5 ‐  Origin of Life and its Early Evolu6on on Earth 

Page 4: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Abbreviated history of origin of life ideas: metabolism versus replica6on 

•  Darwin’s warm liKle pond (LeKer to Joseph Hooker, 1 Feb. 1871) 

•  Oparin‐Haldane ‐ Life started in a prebio6c soup •  RNA world (Gilbert, 1986) •  RNA catalysis preceded and led to metabolism (Eigen, Orgel 

etc, 1980’s) •  Dyson (1985) ‐ ATP produced and consumed by protein‐based 

organisms led to RNA from accumulated AMP; Kauffman, 1998  broadened Dyson’s idea so as to include other polymers and metabolites (autocataly6c sets) 

•  Metabolic reac6ons catalyzed by pyrites under hydrothermal vent condi6ons (Wächtershäuser, 1988); Experimental evidence provided by Cody and others (2001‐2004); Eschemosser (2006), autocataly6c metabolic systems may be possible. 

Page 5: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Outline •  BoKom‐up approach to the origin of life 

– Sources of organic compounds 

– Chemical reac6ons to make biologically relevant organic compounds  

•  Replicator first – RNA as both the “Chicken and egg” 

•  Metabolism‐first – “sparseness” of organic compounds favor metabolism 

– Metabolism needed to synthesize RNA 

Page 6: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Bottom Up Approaches Top Down Approaches (Infer from extant life) a)  Settings for the origin of life b)  Ancient physiologies (T°C, ±O2 etc) c)  “Ancient” metabolisms (autotrophy vs

heterotrophy) d)  Ribozymes and the RNA world and

models for the origin of the code e)  Early replicators: ribozymes, ancient

viruses, minerals, etc f)  Origin of catalytic proteins

Organic precursors

(multiple sources)

Metabolic circuits RNA world

Genetic code and protein synthesis

Encapsulation?

DNA life

From Shen & Buick 2005 

CO2, CO 

Page 7: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The pathway leading to life (Earth) 1.  Forma6on and concentra6on of organic precursor 

compounds and organic catalysts 2.  Condensa6on and polymeriza6on 3.  ??? RNA, protein, protometabolism  4.  ??? The gene6c code, ribosomes etc 5.  “Unity of biochemistry”: selec6on of the fiKest genes, 

biochemistry etc before the separa6on of the three domains of life 

6.  Transi6on from RNA to DNA 7.  The three domains of life 

–  The origin of eukaryotes 

A living en>ty? 

Loca>on, loca>on, loca>on 

Linked? 

Page 8: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

BoKom‐up approaches to origin of life studies: Five broad topics 

1)  Sources or organic precursors to life and chirality selection of d- and l-isomers

2)  Synthesis of biopolymers 3)  Metabolism versus “replicator” as the first step

leading to cells 4)  The origin of nucleic acids, the genetic code, and

the evolution of the “central dogma” and the first evolving entity

5)  Settings for the different steps (still unknown) in the origin of life and how settings can affect the outcomes in 1, 2 and 3

Page 9: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

SPACE

ATMOSPHERE

LIGHTNING IDP’S, COMETS, METEORITES, SHOCK SYNTHESIS 

UV CATALYSIS

OCEAN

CRUST

PHOTOREDUCTION OF CARBON

HYDROTHERMAL ORGANIC SYNTHESIS REDUCED INORGANIC SPECIES

SOURCES OF ORGANIC CARBON ON THE PREBIOTIC EARTH ‐ Includes many of the organic building blocks of life 

Peridotite-hosted hydrothermal vent

magma

Page 10: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

From Schopf,2002 

The Building Blocks – The first experiment 

Urey, Miller 1953 – from Schopf, 2002 & Smith, Szathmary,1995 

Page 11: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Organic Chemistry of Carbonaceous Meteorites COMPOUNDS CM OCCURRENCE BIOLOGY Biochemical Building Blocks Amino acids Fatty acids Glycerol Phosphate Purines Pyrimidines Ribose Phosphate

+ + + +

Others Alcohols Aldehydes Amides Amines Carboxylic acids Hydrocarbons Ketones Phosphonic acids Sulfonic acids Sulfides

Membranes 

Nucleic acids + + ‐ + 

Proteins 

++++++++++ 

Page 12: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Synthe6c organic reac6ons poten6ally occurring on the early Earth 

•  Gas phase reac6ons –  Reduced gases (H2, CH4, NH3, H2) + energy (heat, electric discharge, UV 

etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde 

•  Reac6ons producing water‐soluble products –  HCN → purines (e.g. adenine) –  HCHO → simple sugars (glyceraldehyde, glucose) –  HCN + HCHO → amino acids (Strecker synthesis) 

•  Reac6ons producing water insoluble products (hydrocarbon deriva6ves) –  CO, H2 + heat, iron catalyst → hydrocarbons and amphiphiles (long‐chain 

faKy acids, alcohols) (Fisher‐Tropsch reac6ons) 

•  Polymeriza6on reac6ons (least undestood) –  Amino acids + dry heat → pep6de bonds (protein‐like polymers) –  Glyceraldehyde → polyglyceric acid –  Purines, pyrimidines, sugar, phosphate → nucleic acids 

Page 13: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The BIG gap 

•  We know how to synthesize many of the organic compounds required by life but we know liKle about how to incorporate these compounds into “useful” macromolecules 

•  While it is generally believed that RNA preceded DNA, we don’t know if it can be synthesized under “environmental condi6ons” in contrast to how we synthesize in a laboratory 

Page 14: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The two compe6ng models for the origin of life: “Replicator first”, 

“Metabolism first” 

Both models involve encapsula6on into small cell like structures usually formed by lipids 

Page 15: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

(From Shapiro, 2007)

Shapiro favors a “metabolism first” model; his model also starts in an organic soup except that organic compounds are incorporated into compartments that have a beKer chance of developing into a network of autocataly6c cycles and eventually into an informa6on macromolecule. 

The Shapiro builds on an idea first discussed by Freeman Dyson (1999) and summarized in one of his famous quotes: “Life began with liKle bags, the precursors of the cell, enclosing small volumes of dirty water containing miscellaneous garbage.” 

Page 16: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The “Central Dogma” (left) and the RNA world (right). The transition from the RNA world to the DNA world is thought to have required “reverse transcription”. There are reverse transcriptase enzymes in some RNA viruses including the AID’s virus (Figure from De Duve, 1995)

The “Replicator first”  model predicts that RNA preceded DNA, protein and metabolism 

Page 17: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The RNA world – a compelling model 

•  RNA ‐ The all purpose molecule –  Templates in chemical systems –  Informa6on storage and retrieval –  Catalysis 

•  Self‐splicing •  Self‐reproducing (self‐cleaving) •  Pep6de forma6on 

•  RNA combines genotype and phenotype: self‐replica>on permits Darwinian evolu>on 

•  The goal is to understand how a protein‐free RNA world became established on the primi6ve Earth ‐ led to the “Molecular Biologists Dream” 

Page 18: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

RNA and DNA 

RNA with its nitrogenase bases to the llen and DNA with its nitrogenase bases to the right 

The Ribosome: brown is RNA and blue is proteins.  The ribosome contains 4 RNA molecules   >50 proteins.  The ribosome is the site where mRNA’s code is translated so as to form specific proteins 

Page 19: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

A ribozyme that func6ons as an RNA‐dependent RNA polymerase 

RNA molecule that can make copies of RNA from an RNA template 

Requires an RNA template and RNA primer (like in the PCR reac>on) and a mixture of the 4 nucleo>des. 

It can make an RNA molecule that is only 14 bases long ‐ more work on this is needed 

Some progress on the RNA world 

Page 20: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Recent research results on the RNA world •  Ribose and nucleo>des have been synthesized abio>cally (in some cases under unrealis>c early earth condi>ons) 

•  Polymeriza>on of nucleo>des (oligonucleo>des 20‐50 mers) –  Clays (Huang and Ferris 2006) –  Eutec6c phase of water‐ice (Monnard et al., 2003) –  Lipid‐bilayer lapces (Rajamani et al., 2007) 

•  S>ll needed: –  RNA polymerase ribozyme capable of self replica6on –  Insight on the emergence of the RNA code (not dependent on the RNA polymerase ribozyme) 

–  The origin and evolu6on of the ribosome –  Linking metabolism and replica6on in a “compartment” (the emergence of a “cell”) 

Page 21: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The “Molecular Biologists Dream” ‐ a scenario for the origin of the RNA world (from Orgel, no date) 

The Scenario:  

First, forma>on of precursors to nucleic acids on Earth or elsewhere and accumula>on on Earth Next, nucleo6des were formed from prebio6c bases, sugars and phosphates and accumulated in some “special” environment. Next, a  mineral catalyst such as a mineral like clays then catalyzed the forma>on of long single‐stranded polynucleo>des some of which were converted to complementary double strands by template‐directed synthesis ‐ this resulted in a “library” of double‐stranded RNA on the primi>ve Earth Next, among the double‐stranded RNAs there is at least one that on mel6ng yields a single‐stranded ribozyme capable of copying itself and its complementary RNA ‐ this would eventually lead to an exponen6ally growing popula6on subjected to Darwinian evolu6on 

Page 22: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Summary of outstanding problems with the RNA world 

•  Sources (source reac6ons) of the precursors to RNA (nucleo6des, ribose* and phosphate) 

•  Abio6c synthesis of RNA from precursors 

•  The transi6on RNA to self‐replica6ng RNA (RNA catalysis) 

•  The transi6on from a self‐replica6ng RNA to the “gene6c code”, transla6on and transcrip6on 

•  The origin of the ribosome 

•  The transi6on from RNA to DNA *Ribose demonstrated to be synthesized in the presence of boron minerals (Ricardo et al., Science 2004) 

Page 23: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Encapsula6on and the emergence of “cell‐like” structures 

Page 24: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

(From Deamer 2007) 

Page 25: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Encapsula6on of macromolecules during a drying‐wepng cycle. (A) If liposomes are mixed with soluble proteins or nucleic acids and dried, the liposomes produce a mul6lamellar structure in which the macromolecules are “sandwiched” between lipid layers.  Upon rehydra6on, vesicles form that encapsulate up to half of the soluble macromolecules.  (B) Electron micrograph of a 2:1 (wt/wt) mixture of mixture of dioleoytlphospha6dylcholine‐salmon tes6s DNA aner drying, showing the fused mul6lamellar structure.  (C) Fluorescence micrograph of the lipid‐DNA mixture following rehydra6on.  Acridine orange was used to stain the DNA captured in large vesicles (From Deamer, 1998, 2004) 

Encapsula6on of RNA and protein by lipid membranes 

Lipid bilayer showing the hydrophilic polar head (a`ract H2O) on the outside and the hydrophilic tails inside. These lipid compounds (amphiphiles) self‐assemble into biolayer structures 

Page 26: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

(From Deamer 2007) 

Page 27: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Forma6on of membrane vescles from mixtures of meteoric amphiphilic compounds (lipid vesicles, monolayers etc)   

Transmission electron micrograph showing that almost all of the vescles have a membrane surrounding an internal mass of non‐membraneous material.  At higher magnifica6on (insert) the membrane shows the trilaminar structure typical of bilayer membranes  

From Deamer, 1998  

Page 28: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The protocell model from Mansy and Szostak, PNAS 2008; Cold Spring Harbor Press 2009 

Schema6c model of a protocell. A replica6ng vesicle enables spa6al localiza6on, and a replica6ng genome encodes heritable informa6on.  A complex environment provides nucleo6des, lipids, and various sources of energy, including mechanical energy for division, chemical energy for nucleo6de ac6va6on, and phase transfer and osmo6c gradient energy for growth. 

Page 29: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Cold  Spring Harbor Press 2009 

Cycles of vesicle growth and division.  A spherical mul6cellular vesicle grows aner the addi6on of faKy acid micelles by the forma6on of a thin protuberance.  This grows over 6me un6l the ini6ally spherical vesicle transforms into a filamentous vesicle.  Gentle agita6on leads to division into daughter vesicles, which in turn can grow and repeat the cycle. 

Page 30: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

DNA strand separa6on and reanealing in vesicles (Mansy and Szostak, PNAS 2008) 

Strand separa6on inside vesicles (Black lines) DNA strands labeled with donor and quencher dyes.  When annealed to each other, fluorescence is low.  (Open lines) Unlabeled DNA strands. Following strand separa6on and reannealing, the donor and quencher oligonucleo6des are separated, resul6ng in a high fluorescence signal. 

Page 31: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Conclusion from Mansy and Szostak 

The requirement for cycling between low and high temperature for nucleic acid copying and strand separa6on strongly suggests that freshwater ponds or springs in a generally cold environment, locally heated by geothermal ac6vity as a volcanic region, would be an ideal incuba6on of life. 

What did Earth look like at the 6me life originated? 

Page 32: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Summary of encapsula6on models 

•  Small lipid‐membrane structures were an early stage in the origin of life –  These structures some6mes call “micells” form spontaneously when the lipids are accumulate 

•  The lipid‐membrane structures can self‐replicate •  The lipid‐membrane structures, when exposed to wet‐and‐dry cycles can entrap macromolecules (nucleic acids and proteins) 

•  The nucleic acids entrapped in lipid‐membranes can divide if exposed to a high‐ and low‐temperature cycle (like the Polymerase Chain Reac6on) 

Page 33: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

“Protometabolism” •  The need for high concentra6ons of organic compounds that are the core of macromolecules (purines, pyrimidines, amino acids, faKy acids etc) 

•  Generate cataly6c organic compounds (CN, CO, formate, formaldehyde, etc) 

•  Chemical energy (thioesters?) to drive more complex organic reac6ons 

Can you get “protometabolism” from a soup? 

Page 34: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

“Sparseness” is a hallmark characteris6c of metabolism (from Shelly Copley) 

Aquifex aeolicus 

Metabolism uses a very limited (sparse) set of organic molecules.  Aquifex aeolicus grows on CO2, H2, O2 and NH3 and at 95°C The total organic compounds in the metabolome is 162 small organic compounds (<160 daltons) 

Photo: SteKer and Rachel 

All possible small organic molecules (C, N, H, O) with a MW of <160 daltons = >14 million (does not include many aroma6c and heterocyclic compounds) (Fink et al., 2005) 

Page 35: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Metabolism versus Replica6on, cont.  A “Protometabolic” network is necessary for the con6nuous synthesis of organic precursor compounds to proteins and nucleic acids; The “thioester world” (De Duve, 1991).                  

The key to protometabolism is the thioester bond, a high energy bond that                      supports energy‐requiring                             reacNons (DeDuve, 1995) 

“The requirements for both life and protometabolism are essen6ally the same: (1) a sustained source of energy driven by chemical disequilibrium origina6ng from either geological processes or sunlight, and (2) the presence of certain elements, in par>cular transi>on metals, to provide cataly>c poten>al for synthesis of organics”  Cody and ScoS, 2007 

Page 36: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Ini6al stages of the acety‐CoA pathway, highligh6ng the extensive use of transi6on metals and sulfur.  Migra6on and inser6on of the CO between the methyl group and the Ni atom yields the acetyl group.  The acetyl group is transferred to a biochemical co‐factor yielding acetyl‐CoA providing the ini6a6on point to the acetyl‐CoA metabolic pathway.  (Cody and ScoK, 2007) 

CH3 transferred to a cobalt atom than to nickel atom (Ni‐X‐Fe4S4) “A” 

CO2 reduced to CO and transferred to an iron atom in the Fe4S4 cluster 

Environmental sources of CO2, H2 and metals. 

The acetyl‐CoA pathway 

“New findings from the enzymes at the heart of the acetyl‐CoA pathway, carbon monoxide dehydrogenase and acetyl‐CoA synthase, indicate that metals and metal sulfides do the biochemical work of CO2 fixaNon” (Russell and Mar6n, 2004) 

Acetyl‐CoA is a thioester 

Page 37: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The acetyl‐CoA pathway showing the posi6on of metals at various steps (This is a hydrogen dependent pathway) 

Page 38: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The presence of a sustaining chemistry‐ genera6ng‐system preceded RNA instruc6on 

•  New evidence suppor6ng some kind of proto‐metabolic system producing the precursors to RNA synthesis 

Page 39: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

PNAS 104:9358‐9363, 2007 along with other modeling papers 2010, 2011 

The authors suggest that modern metabolism involving proteins originated in nucleo6de metabolism.  “The first enzyma6c takeover of an ancient biochemistry or prebio6c chemistry involved processes related to the synthesis of nucleo6des for a world in which RNA was the only gene6cally encoded catalyst.” The authors also point out how liKle we know about  how the RNA world transi6oned into modern biochemistry.  

“Our findings suggest that modern metabolism developed early at the onset of protein discovery and had origins that benefited the forma6on of building blocks for the RNA world”. 

Page 40: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble
Page 41: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Synthesis of nucleodides bases and ribose,  and polymerase  into RNA 

A popular model for the development of the gene6c system (Goldman et al., 2010) 

Page 42: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Goldman et al., 2010 

Page 43: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Conclusion from Goldman et al., 2010 

•  A func6onal ribosome existed during the RNA world 

•  All of the ribosome proteins tested had only the ancient 9 protein folds 

•  Most of the proteins used by extant life evolved during and aner the separa6on of the three domains of life 

Page 44: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

What is the origin of these metal dependent metabolic pathways? 

1) Minerals, minerals, minerals 2) Some early ideas about minerals and the origin of life 

Page 45: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble
Page 46: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Cairns‐Smith Clay Model for the origin of life 

   Clay crystals 

Crystal growth and “muta6on” 

Condense organic compounds (clays as templates and  reac6ve surfaces)“organic takeover” 

 Macromolecules 

   Cells Crystal growth occurs by addi6on of units of the kink edge of a con6nuous ramp spiraling around the central core 

Informa6on stored in crystals as a group of crystal “defects” that can be replicated through cleavage and crystal growth 

Page 47: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Examples of possible reac>ons involving pyrite based on pyrite having a ca>onic surface in which a variety of anionic reac>ons are possible.  The example in (A) is the adsorp>on of glyceraldehyde‐3‐phoshate to the surface followed by polymeriza>on. (B) Par>cipa>on of pyrite in a reac>on that can drive and otherwise energe>cally unfavorable reac>on.  For example, the reduc>on of CO2 by H2 has a posi>ve Gibbs free energy reac>on.  However, if CO2 reduc>on is linked to the pyrite reac>on the synthesis of formic acid is energe>cally favorable  

Organic reac>on on pyrite surfaces under hydrothermal condi>ons (Wächterhäuser, 1988, 1998) 

Pyrite 

Page 48: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Wächterhäuser Model 1980’s 

           Pyrite 

  Organic synthesis and        condensa6on 

“surface metabolites” 

         Informa6on         Macromolecules 

      CELLS 

Russell Model 1990’s 

FeS membranes (bubbles formed from a mix of acidic seawater and alkaline hydrothermal fluid) 

      Organic synthesis (ΔEh across             membrane) 

  Metabolic pathway 

          Condensa6on reac6ons 

      Informa6on macromolecules 

                                      CELLS 

Models for the origin of life in vent environments 

Page 49: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

How to get high concentra6ons of useful organic compounds? 

•  Specific synthesis – requires catalysts (minerals) 

•  Very limited data at the present 6me, but preliminary data looks very promising 

Keep in mind that the cataly6c reac6ons carried out by proteins in present‐day organisms was very likely carried out by minerals before the gene6c code and ribosomes were fully developed 

Page 50: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Mineral surfaces that may be involved in the origin of life (Modified from Deamer, 2007) 

Mineral Surface Properties

Lava minerals Si, O, Fe Major mineral surface on early Earth

Apatite Ca, PO42- Primary phosphate mineral

Clays Si, Al, O Can organize organics into films and catalyze polymerization reactions

Pyrite FeS2 Source of reducing power

Calcite CaCO3 Chiral surfaces; concentrate organics such nucleotides from models

Quartz SiO2 Chiral surfaces Ultramafic minerals Fe, Mg Generate hydrogen and organic

compounds from CO2 Borate minerals B Catalyze the synthesis of ribose

Elemental composi6on 

Page 51: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Mineral Needs •  Catalyze metabolic networks that involve the reduc6on of CO2 to organic compounds. 

•  There is a need to iden6fy the cataly6c ability of other minerals under different T/pH condi6ons (minerals that mimic known enzyme groups: oxidoreductases, transferases, hydrolases, lyases, isomerases and ligases) 

We can accomplish this by looking at minerals that contain the metals that are present in different minerals and examine their cataly>c ac>vity under the environmental condi>ons that they can form and remain stable  

Page 52: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Are there realis6c early‐Earth sepngs that support the  “metabolism first”, or the “replicator first” and the encapsula6on 

models? What about the source sites of cataly6c 

minerals?  

• The answer is there is much we don’t know 

Page 53: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble
Page 54: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Billion years from human 

Origin of Earth (4.5 Gya) 

Cyanobacteria (the rise of O2) 

Origin of life? Thermophilic methanogens,     S reducers     (thermophilic N‐fixa6on) 

0 4 

1 Anoxygenic photosynthe>c bacteria?(anaerobic) 

Accumula6on of O2 Single celled eukaryotes (beginning of prey/predator associa6ons?) 

Algal kingdoms 

Shelly invertebrates Vascular plants 

Mammals  Humans 

  Time of transi6on from anaerobic microbial ecosystems to aerobic          microbial/eukaryo6c ecosystems 

Early Earth temperature and O2 produc6on and accumula6on are controversial issues 

Page 55: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

     4               3                       2                    1                   0 

1033 

1031 

1029 

1027 

1025 

1023 

1021  K/T Ty

3000 

30 

 0.3 

0.003 

Time (Ga) 

Wat

er e

vapo

rate

d (m

Impa

ct e

nerg

y (J

origin of life

The largest bolide impacts on the Earth and the Moon. Light gray filled boxes are lunar, black filled boxes terrestrial. Red line is inferred earth impact history. Dashed blue line is depth of ocean vaporized by impact. K/T refers to the Cretaceous/Tertiary impact and Ty refers to the lunar crater Tycho (From Sleep et al., 1989)

Page 56: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Life may have started during the heavy bombardment period 

•  heavy bombardment, while rendering the ocean water column and any landmass that may have existed uninhabitable, would not have removed all water from the subsurface and thus would not have sterilized the Earth, but would have resulted in widespread impact‐volcanism (Abramov and Mojzsis, 2009).  

Did life originate in the subsurface and did volcanism play a role? 

Page 57: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Geological sites relevant to the origin of life  (Modified from Deamer, 2007)   (modified from Deamer 2007)( SITE PROPERTIES

Inter-tidal zones, tide-pools, sand

Fluctuating environment can concentrate organic solutes

Fresh water ponds, lakes Moderate T°C ranges. Low mineral content can be conducive to self-assembly processes. Impacted by lightning, bolides etc.

Ice fields Organics can be concentrated in eutectics within ice. Low T°C preserves organic compounds

Subterranean geothermal regions

T°C range from moderate (40-60°C) to boiling. Reducing power available

Magma-hosted Hydrothermal vents

T°C range from 2°C (present day) to >400°C with everything in between . Multiple gradients in physical and chemical conditions. Reducing power and catalytic minerals available

Peridotite-hosted Hydrothemal vents

T°C to >90°C, pH up to 11; high concentrations of CH4, formate, acetate and low MW hydrocarbons; porous calcite for concentration of organic compounds

Atmosphere, clouds Water droplets as “cell-like” enclosures for synthesis of complex organic compounds using UV light

Radioactive Beaches (Adam, Astrobiology 2007)

The possible role of Actinides (elements with atomic numbers between 89-103) in the abiotic synthesis of organic compounds, polmerization reactions; P release from minerals

Page 58: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The sepngs and metabolism of the earliest microbial communi6es 

•  All evidence points to hydrogen as the earliest source of chemical energy (both non‐photosynthe6c and photosynthe6c organisms) 

•  Hydrothermal vent environments would have provided the hydrogen, other vola6les (CO2, sulfur compounds, nitrogen, etc) and key elements to support life 

•  Evolu6onary phylogeny of extant organisms support the hypothesis of hydrogen u6lizing, high temperature microbes as ancient groups 

Page 59: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Nisbet & Sleep, 2001 

The earliest microbial  ecosystems might have been biofilms that u>lized H2 as the primary energy source 

The earliest evidence for life is found in 3.8 billion year old rocks from hydrothermal sepngs – the chemical and isotopic signatures point to microbial communi6es that used H2 as their energy source and formed “biofilms” 

Page 60: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Electron donors, metabolism and vola>le metabolites on an anoxic Earth (modified from Canfield et al 2006) 

Electron donors

Environmental settings

Metabolism Metabolites in the atmosphere

H2 Submarine hydrothermal vents; subaerial volcanoes

Methanogenesis, anoxygenic photosynthesis, SO4

2-, S°, FeIII reduction, acetogenesis, denitrification

CH4, H2S, N2O, N2, CO2 depletion?

H2S Submarine hydrothermal vents; subaerial volcanoes

anoxygenic photosynthesis NO3

- reduction N2, decreasing H2S and H2, CO2 depletion?

S° Submarine hydrothermal vents; subaerial volcanoes

anoxygenic photosynthesis, NO3-

reduction, S disproportionation N2, CO2 depletion?

Fe(II) Submarine hydrothermal vents; subaerial volcanoes

anoxygenic photosynthesis, NO3-

reduction CO2 depletion? N2

CH4 Hydrothermal vents Anaerobic CH4 oxidation CO2

NH4+ Hydrothermal vents Anammox N2, CO2 depletion?

CH2O Hydrothermal vents heterotrophy CO2, H2

Page 61: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Timeline for Archean photosynthesis with proposed reductants (from Olson 2006)

Reductant Ga Marker H2O 2.3

2.4 O2 level begins to rise

H2O 2.5 Hamersley BIF

H2O 2.6 Nauga cyanobacteria

H2O 2.7

2.8; 2.9

Pilbara methylhopanes Tumbiana stromatolites

Fe(OH)+ 3.0

3.1

Protocyanobacteria and Proteobacteria emerge?

H2S 3.2 3.3

Swaziland barites

H2 3.4 Buck Reef microbial mats (Tice and Lowe, 2006; Sleep 2010)

H2S 3.5 3.6; 3.7

Warrawoona evaporites

H2 3.8 Isua carbon isotope fractionation

Phototrophic Fe(II)‐oxidizing bacteria (Thodobacter ferrooxidans, Chrorobium ferrooxidans and Thiodictyon sp.) 4Fe2+ + CO2 + 11H2O  + hv → [CH2O] + 4Fe(OH)3 + 8H+ 

Purple sulfur bacteria (Chlorobiaceae, ChromaNaceae) 2HCO3

‐ + H2S → 2CH2O + SO4

2‐ 

Mul6ple groups of Bacteria and Archaea use H2 as energy source: methanogenesis, Phototrophic Bacteria; S reducers 

Ano

xygenic ph

otosynthe6

c bacteria 

Page 62: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

PNAS 102:9306‐9310, 2005 

Morphology and ultrastructure of GSB1 cells.  Bar, 300 nm 

Chlorosomes 

A Green‐sulfur photosynthe6c bacteria was isolated from a submarine hydrothermal vent smoker where the only source of light is geothermal radia6on that includes wavelengths absorbed by photosynthe6c pigments.  This organisms is an obligate anaerobe and reduces CO2 coupled with oxida6on of sulfur compounds 

Photosynthe6

c  

bacteria 

2HCO3‐ + H2S → 2CH2O + SO4

2‐ 

Page 63: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Summarizing the case for a subseafloor seong for the  origin of life and early microbial 

ecosystems •  Extensive bolide impacts before 3.8 Ga including ocean 

evapora6ng impacts (Maher & Stevenson, 1988; Sleep et al., 1989) 

•  LiKle con6nental mass before 3.8 GA (Lowe, 1994) •  Extensive hydrothermal ac6vity in the early Archaean 

with ridge lengths >5X present (Bickle, 1978; Nisbet and Sleep, 2001) 

•  Abundant and diverse cataly6c minerals from geophysical processes 

•  Extensive temperature, pH and chemical gradients •  Source of Fe/S, C compounds, C‐S compounds, P with 

serpen6ne (alkaline hydrothermal systems) thio‐esters •  Sources of thio‐esters, ammonia and phosphate not well 

understood 

Page 64: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

  Extreme physical and chemical condi6ons at different vent systems 

Magma hosted hydrothermal systems 

     ‐ Most elements required for life      ‐ Carbon sources, cataly6c minerals      ‐ Temp to >400°C      ‐ pH <3; sulfide chimneys 

PeridoNte hosted hydrothermal systems 

     ‐ High concentra6ons of H2, CH4 and         other hydrocarbons and organic acids 

     ‐  Temp to >90°C      ‐   pH to ~11      ‐   Carbonate chimneys 

Kelley 2001 

Page 65: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Hypotheses 

–  “Sparseness” , from soup to a few nuts (Morowitz, Smith and Copley)

– “protometabolic networks” that produce high concentrations of “key” organic compounds and not an “organic soup”, is a necessary “first step” leading to life

– The origin of the “RNA world” required a “protometabolic network”

– The genetic code and protein synthesis evolved in the “RNA world”

– DNA world: large genomes and free-living cells

Page 66: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The “Molecular Biologists Dream” ‐ a scenario for the origin of the RNA world 

The Scenario:  

First, forma>on of precursors to nucleic acids on Earth or elsewhere and accumula>on on Earth Next, nucleo6des were formed from prebio6c bases, sugars and phosphates and accumulated in some “special” environment. Next, a  mineral catalyst such as a mineral like clays then catalyzed the forma>on of long single‐stranded polynucleo>des some of which were converted to complementary double strands by template‐directed synthesis ‐ this resulted in a “library” of double‐stranded RNA on the primi>ve Earth Next, among the double‐stranded RNAs there is at least one that on mel6ng yields a single‐stranded ribozyme capable of copying itself and its complementary RNA ‐ this would eventually lead to an exponen6ally growing popula6on subjected to Darwinian evolu6on 

Page 67: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Condensa6on reac6ons and the forma6on of macromolecules 

•  Polymeriza6on on clays – proteins and nucleic acids •  Not known how to make a self‐replica6ng RNA molecule or cataly6c proteins 

•  Lipids can self assemble into membrane‐like structures –  Very interes6ng studies  The big ques>on is how to get high concentra>ons of the precursor compounds (either formed in situ or concentrated from dilute solu>ons)?  This ques>on is crucial in the arguments for and against the “metabolism first” vs the “replicator first” ideas. 

Page 68: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The two compe6ng models for the origin of life: “Replicator first”, 

“Metabolism first” 

Both models involve encapsula6on into small cell like structures usually formed by lipids 

Page 69: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

(From Shapiro, 2007)

Shapiro favors a “metabolism first” model; his model also starts in an organic soup except that organic compounds are incorporated into compartments that have a beKer chance of developing into a network of autocataly6c cycles and eventually into an informa6on macromolecule. 

The Shapiro builds on an idea first discussed by Freeman Dyson (1999) and summarized in one of his famous quotes: “Life began with liKle bags, the precursors of the cell, enclosing small volumes of dirty water containing miscellaneous garbage.” 

Page 70: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The “Central Dogma” (left) and the RNA world (right). The transition from the RNA world to the DNA world is thought to have required “reverse transcription”. There are reverse transcriptase enzymes in some RNA viruses including the AID’s virus (Figure from De Duve, 1995)

The “Replicator first”  model predicts that RNA preceded DNA, protein and metabolism 

Page 71: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

The “Molecular Biologists Dream” ‐ a scenario for the origin of the RNA world (from Orgel, no date) 

The Scenario:  

First, forma>on of precursors to nucleic acids on Earth or elsewhere and accumula>on on Earth Next, nucleo6des were formed from prebio6c bases, sugars and phosphates and accumulated in some “special” environment. Next, a  mineral catalyst such as a mineral like clays then catalyzed the forma>on of long single‐stranded polynucleo>des some of which were converted to complementary double strands by template‐directed synthesis ‐ this resulted in a “library” of double‐stranded RNA on the primi>ve Earth Next, among the double‐stranded RNAs there is at least one that on mel6ng yields a single‐stranded ribozyme capable of copying itself and its complementary RNA ‐ this would eventually lead to an exponen6ally growing popula6on subjected to Darwinian evolu6on 

Page 72: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

A ribozyme that func6ons as an RNA‐dependent RNA polymerase 

RNA molecule that can make copies of RNA from an RNA template 

Requires an RNA template and RNA primer (like in the PCR reac>on) and a mixture of the 4 nucleo>des. 

It can make an RNA molecule that is only 14 bases long ‐ more work on this is needed 

Some progress on the RNA world 

Page 73: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Recent research results on the RNA world •  Ribose and nucleo>des have been synthesized abio>cally (in some cases under unrealis>c early earth condi>ons) 

•  Polymeriza>on of nucleo>des (oligonucleo>des 20‐50 mers) –  Clays (Huang and Ferris 2006) –  Eutec6c phase of water‐ice (Monnard et al., 2003) –  Lipid‐bilayer lapces (Rajamani et al., 2007) 

•  S>ll needed: –  RNA polymerase ribozyme capable of self replica6on –  Insight on the emergence of the RNA code (not dependent on the RNA polymerase ribozyme) 

–  The origin and evolu6on of the ribosome –  Linking metabolism and replica6on in a “compartment” (the emergence of a “cell”) 

Page 74: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Summary of outstanding problems with the RNA world 

•  Sources (source reac6ons) of the precursors to RNA (nucleo6des, ribose* and phosphate) 

•  Abio6c synthesis of RNA from precursors •  The transi6on RNA to self‐replica6ng RNA (RNA catalysis) 

•  The transi6on from a self‐replica6ng RNA to the “gene6c code”, transla6on and transcrip6on 

•  The origin of the ribosome •  The transi6on from RNA to DNA and the synthesis of deoxyribose 

*Ribose demonstrated to be synthesized in the presence of boron minerals (Ricardo et al., Science 2004) 

Page 75: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Condensa6on reac6ons and the forma6on of macromolecules 

•  Polymeriza6on on clays – proteins and nucleic acids 

•  Not known how to make a self‐replica6ng RNA molecule or cataly6c proteins 

•  Lipids can self assemble into membrane‐like structures – Very interes6ng studies  

Page 76: Rimicaris shrimp at NW Eifuku (Pacific Rim of Fire) · , CH 4, NH 3, H 2) + energy (heat, electric discharge, UV etc) → Cyanide (HCN) and formaldehyde • Reacons producing water‐soluble

Some Hypotheses on the Origin of Life: Sepngs Implica6ons 

Primordial soup ‐ heterotrophic origin (Oparin, 1936) Dissipated Structures “Order Out of Chaos” (Prigogine 1980) Submarine Hydrothermal Vents (Corliss et al., 1981) Mineral World (Cairns‐Smith, 1982) RNA World (Gilbert, 1986) Thioester World (De Duve, 1981)  Pyrite World ‐ Metabolism first (Wächterhäuser, 1988) Self‐organiza6on and complexity theory (Kauffman, 1993) Fe/S membrane, redox/pH front at vents  (Russell, 1994; 

1997) Panspermia (Arrhenius, 1908)