Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i MIT wykazali, że w stężonym kwasie siarkowym peptydy mogą zachowywać stabilność i fałdować w zróżnicowane struktury. Wyniki badań mogą mieć istotne znaczenie dla poszukiwań śladów życia w chmurach Wenus.

Artykuł na ten temat – „Peptides Adopt Stable Omega Loop Structures in Concentrated Sulfuric Acid” – opublikowano właśnie w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), czasopiśmie Amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk, które jest jednym z najczęściej cytowanych i najbardziej wszechstronnych interdyscyplinarnych periodyków naukowych na świecie.

Jego autorami są dr Janusz Pętkowski z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr, Jia Yi Zhang, dr Aurelio J. Dregni, prof. Sara Seager oraz prof. Mei Hong (wszyscy z Massachusetts Institute of Technology, USA).

Tajemnicze chmury Wenus i poszukiwanie śladów życia 

W opinii astronomów chmury na Wenus składają się głównie z kropelek kwasu siarkowego z pewną ilością m.in. chloru i żelaza. W efekcie powierzchnia planety nie jest widoczna ani z Ziemi, ani z sond orbitalnych, a jej ukształtowanie znane jest wyłącznie na podstawie badań radarowych.

Kilka lat temu przedstawiono dowody na obecność na Wenus fosfiny, toksycznego gazu produkowanego w środowiskach ubogich w tlen oraz amoniaku. Oba gazy są określane jako biomarkery, a to w dużym skrócie oznacza, że mogą potencjalnie wskazywać na obecność życia.

Czy zatem chmury kwasu siarkowego na Wenus rzeczywiście są tak nieprzyjazne dla struktur organicznych? W najnowszej publikacji, która ukazała się w PNAS, naukowcy porównali warunki panujące w chmurach Wenus oraz na powierzchni Ziemi w kontekście stabilności podstawowych budulców życia, jakimi są małe białka – peptydy.

Paradoks kwasu siarkowego: od destrukcji do stabilizacji

Chmury drugiej planety Układu Słonecznego charakteryzują się ekstremalnie niską zawartością wody i bardzo wysokim stężeniem kwasu siarkowego (H₂​SO₄​ na poziomie 80% - 98%), a temperatury w tych warstwach wahają się od ok. 0 do 80°C. Tymczasem środowisko ziemskie jest bogate w wodę, która jest niezbędnym rozpuszczalnikiem dla znanych nam procesów biologicznych.

– Na Ziemi woda umożliwia katalizowaną przez kwas hydrolizę wiązań peptydowych, co prowadzi do rozpadu białek w silnie zakwaszonych roztworach wodnych. Jednakże w środowisku stężonego kwasu siarkowego, gdzie zawartość wody jest minimalna, peptydy mogą pozostawać stabilne. W naszych badaniach sprawdzaliśmy, czy te złożone cząsteczki organiczne mogą przetrwać i przyjmować określone struktury w tak nieprzyjaznych z ziemskiej perspektywy warunkach – wyjaśnia dr Janusz Pętkowski z Wydziału Inżynierii Środowiska.

Zaawansowane analizy struktur 3D

Do analizy zachowania peptydów w stężonym kwasie siarkowym wykorzystano zaawansowane techniki spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). Zastosowane metody obejmowały m.in. monitorowanie stabilności cząsteczek w czasie oraz modelowanie strukturalne, dzięki któremu na podstawie danych eksperymentalnych wygenerowano modele 3D struktur przyjmowanych przez peptydy w kwasie siarkowym.

– Badania wykazały, że peptydy wykazują pełną stabilność w 98% kwasie siarkowym przez co najmniej dwa tygodnie. Porównanie widm na początku i końcu eksperymentu nie wykazało istotnych różnic w położeniu ani intensywności pików odpowiadających poszczególnym aminokwasom. Świadczy to o braku hydrolizy wiązań peptydowych, co w środowisku wodnym przy niskim pH byłoby niemożliwe – tłumaczy dr Pętkowski.

Najbardziej zaskakującym rezultatem badań jest jednak stwierdzenie, że peptydy w stężonym kwasie nie tylko nie ulegają rozpadowi, ale składają się w stabilne, uporządkowane struktury, które różnią się kształtem od struktur przyjmowanych w wodzie. Struktury te są stabilizowane przez gęstą sieć oddziaływań z otaczającym cząsteczki peptydów rozpuszczalnikiem i oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych (tzw. wiązań wodorowych).

– Analiza przesunięć chemicznych potwierdziła te obserwacje. Co ciekawe, dotychczasowa wiedza sugerowała, że tego typu oddziaływania nie mogą stabilnie powstawać w warunkach stężonego kwasu siarkowego – dodaje naukowiec Politechniki Wrocławskiej.

Wyniki eksperymentu dowodzą, że stężony kwas siarkowy może być środowiskiem sprzyjającym stabilności i strukturalnemu różnicowaniu skomplikowanych polimerów organicznych, takich jak peptydy.

Przełom dla astrobiologii 

– Paradoksalnie brak wody chroni te cząsteczki przed destrukcyjnym działaniem jonów hydroniowych, które w roztworach wodnych prowadzą do szybkiej hydrolizy – wyjaśnia dr Pętkowski. – Odkrycie, że peptydy mogą przyjmować stabilne konformacje w warunkach przypominających atmosferę Wenus, ma fundamentalne znaczenie dla astrobiologii. Sugeruje ono, że ewentualne procesy chemiczne o wysokim stopniu złożoności mogłyby zachodzić w kropelkach kwasu siarkowego w wenusjańskich chmurach, wykorzystując peptydy jako stabilne elementy strukturalne – dodaje.

Rezultaty otwierają zatem nową ścieżkę w badaniach nad życiem, jakie nie jest nam dotychczas znane, działającym w oparciu o inne niż woda rozpuszczalniki i skrajnie różne zasady stabilności i reaktywności chemicznej.

mic