Montmorillonit, Bentonit, RNA Dünyası ve Yaşamın Başlangıcı

Yaşamın Başlangıcı, bilim dünyasının halen üzerinde çalıştığı ve belki de en çok merak uyandıran alanlardan biridir. Özellikle son 50 yılı aşkın zamandır bu çalışmalar hız kazanmış genetik bilimin hızlı ilerlemesi ve bazı soruların cevap bulması ile Yaşamın Başlangıcı hakkında daha bilimsel ve daha akla yatkın senaryolar öne sürülmeye başlanmıştır.

Yaşamın Başlangıcını izah eden bilimadamları şu varsayımı yaparlar, RNA ana biyo-polimerdir. Genetik kodu taşıyan ve RNA reaksiyonlarının başlatan RNA’nın kendisidir. DNA/protein ise RNA’dan gelişerek meydana gelmiştir.
Konu ile ilgili bazı deliller arasında, RNA öncesinde herhangi bir oluşmuş Proteinin bulunmayışı, RNA’nın oluşumunun Riboenzimler tarafından gerçekleştirildiğidir.

Hideo Hashizume tarafından ele alınan «Kil Minerallerinin Kimyasal Gelişimde ve Yaşamın Olumundaki Rolü» (Role of Clay Minerals in Chemical Evolution and the Origins of Life) adlı literatür çalışmasında, geçmiş yıllardan günümüze kadar bilimadamları tarafından yapılan önemli çalışmalar ve elde edilen bulgular derlenmiştir. Bu makalenin giriş özetinde şunlar belirtilmiştir;

Yaşamın başlangıcı ile ilgili ortaya atılan ilk hipotezlerden birinde basit moleküllerin yeryüzünün ilk evrelerinde biyomolekül ve kompleks biyopolimerler oluşturmak için reaksiyona girdiği daha sonrasında ise çok moleküllü fonksiyonel sistemlere evrimleştiği ve sonunda yaşamın oluştuğu ifade edilmiştir. (Oparin, 1938). Killerin Yaşamın başlangıcında rol oynamış olabileceği ile ilgili ortaya atılan ilk hipotez 1950’li yılların başında atılmıştır. Bernard (1951) kil minerallerinin emilim gerçekleştirebilmesi, ultraviyole radyasyona karşı koruyucu özelliği, yoğunlaşabilmesi sayesinde çok anahtar bir rol oynamış olabileceği ve ve organik moleküllerin polimerizasyonunu başlatmış olabileceğini ortaya koymuştur. Daha yakın tarihte ise Cains-Smith (1982) tarafından ortaya konan bir görüşte kil minerallerinin depolama, yer değiştirme ve yüksel değişim özellikleri bulunduğunu ve muhtemelen genetik adaylar olarak vazife üstlenmiş olabileceği belirtilmiştir. Öte yandan, organik moleküllerin, montmorillonit ve kaolin gibi katman tabakalı olan kil minerallerinin tabakaları arasında eklenmiş olabileceği ve biyopolimerlerin belirli bir sırayla (enzimler, polinükleoititler vs,) oluşumu ve çoğalmasına yardımcı olmuş olabileceği belirtilmiştir.

Bu çalışmada ortaya konan ve Montmorillonitin RNA ile ilgili ortaya konan tespitlerin bazıları aşağıda verilmiştir.

Kil Mineralleri
Yeryüzünün ilk dönemlerindeki mevcut en eski kayaçlar tortu şeklindedir. Bu tortular su ile temasa geçtiğinde Kil minerallerinin oluşumunun önünü açmıştır. Mars’ta yapılan incelemeler de Kil minerallerinin oluşumunun 3.5 milyar yıldan daha önce gerçekleştiğini göstermiştir. Sonuç olarak, kil mineralleri yeryüzünün ilk dönemlerinde meydana gelmiştir.

Basit Biyomoleküller
Aminoasitler: Miller ve Urey (1959) NH3, CH3, Su gibi öncül maddeler kullanarak ve elektriksel yükten faydalanarak biyomoleküller sentezlemeyi başarmışlardır. Shimoyama (1978) bu sisteme montmorillonit eklemiş ve alkali yan zincir artışıyla aminoasit elde etmeyi başarmıştır. Bunun yanında, Yuasa (1989) yılında yürüttüğü çalışmada montmorillonitin bulunduğu bir sistemde, glisin, alanin ve aspartik asit ürünleri elde etmiştir.

Aminoasitlerin Kil Mineralleri tarafından tutunması: Greenland (1965) çeşitli aminoasitlerin montmorillonit ile etkileşimlerini incelemiş ve arginin, histidin ve lisin gibi aminoasitlerin montmorillonite elektriksel yük yardımıyla tutunduğunu gözlemlemiştir. Alanin, serin, glutamik asit vs gibi diğer aminoasitler ise montmorillonite proton değişimiyle tutunmuştur. Dashman ve Stotzky (1984) aminoasitlerin tutunmasında montmorillonitin kaolin kilinden daha iyi performans gösterdiğini belirtmiştir.

Nükleik Asit Bazı: Nükleik asit iki purin (adenin, guanin) ve üç primidin (sitosin, urasil ve timin) içeren bazlardır. Schwartz (1976) montmorillonitin ekleyerek yaptığı bir çalışmada adenin oluşumunun hızlandığını gözlemlemiştir. Miller tarafından yapılan bir çalışmada Nükleik asit bazları bulunmazken, Montmorillonit ve HCN karışımıyla Adenin oluşumu gözlemlenmiştir.

Nükleik Asit Bazlarının Kil Mineralleri tarafından tutunması: Lawless (1984) adenosine monofosfatın montmorillonit tarafından tutunmasının, solüsyonun PH’ının azaldıkça, arttığını gözlemlemiştir. Winter (1995) yaptığı bir çalışmada montmorillonitin adenin ve adenin yapılarını tutmada diğer alternatiflerden daha iyi performans gösterdiğini gözlemlemiştir.

Şeker: Şekerin sentezlenmesi (Bentonit) Montmorillonit gibi katmanlı bir yapıda formaldehit’in kendi kendine yoğunlaşması sonucu olabileceği belirtilmiştir. Ayrıca, oluşan şeker oligomerlerinin montmorillonit tarafından tutunmasıyla stabilize olduğu belirtilmiştir.

Biopolimerlerin Polimerizasyonu
Peptitler: Organik moleküllerin biraraya gelmesi ve yoğunlaşması ile polimeriasyonun gerçekleşmesi ve artmasının gerçekleşmiş olabileceği belirtilmektedir. Ohara (2007) glisin peptitlerinin sentezlenmesinde montmorillonitin bu şartları uygun hale getirebildiği ve 10’lu glisin polimerlerinin elde edildiğini belirtmiştir.

Nükleotit Polimerler (RNA Dünyası): Ortaya atılan hipotezlerden biri RNA Dünyası «Yaşamın Başlangıcı» ile ilgili ortaya atılan hipotezlerden biri RNA’ların genetik malzeme barındıran enzimler gibi Katalizör rolü oyandığıdır. Diğer bir deyişle RNA, DNA vazifesini üstlenmiştir. RNA nükleik asit bazı, riboz ve fosfattan oluşan polinükleotit bir yapıdır. Ertem (1993) tarafından yapılan bir çalışmada montmorillonit kullanarak yaptığı bir çalışmada 6-14 birimli RNA monomerleri elde etmişlerdir. Teorik olarak RNA Dünyasının başlangıcı için 40’lı yapılar gerekmektedir. Daha uzun zincirli RNA’ların besleme prosedürü kullanarak (günlük olarak ImpA’nın montmorillonite tutunmuş decanükleotite eklenmesi) elde edilebileceği belirtilmektedir.

Hücre Oluşumu
Kil minerallerinin ilk zamanlarda membran yapıda besinleri içine alabilen bir özellik göstererek hücre gibi bir vazife yerine getirmiş olabileceği belirtilmektedir. Bu durum açıklanırken, kil minerallerinin okyanus dibinde depolandığı ve bu partiküllerin bir katman oluşturduğu, arada kalan boşlukların hücre gibi hareket etmiş olabileceği ifade edilmiştir. Bunun yanında, kil mineralleri su içinde çözündüğünde, (su içinde veya yüzeyinde) kabarcıklar oluşturduğu ve bu yapıların su ve hava sınırında toplanarak hücre küresi gibi bir yapı meydana getirmiş olabileceği belirtilmektedir.

Çalışmanın sonunda şunlar belirtilmiştir,

Yeryüzünün ilk evrelerinde, Kimyasal Evrim ve Yaşamın Başlangıcında bir çok madde katkı yapmış olduğu düşünülse de, yapılan çalışmalarda öne çıkan maddeler kil mineralleri, özellikle de montmorillonit ve kaolindir.
Organik moleküllerin yoğunlaşmasını sağlaması yanında, nükleik asit bazları ve aminoasitlerin tutulmasında yüzeysel ayarlamaları kontrol edebilmektedir. Değişik kil karışımları kullanarak, biyomoleküllerin diğerleriyle biraraya gelmesi ve polimerizasyonu mümkün olabilirmektedir. Burada belirtilen çalışmalar, her kil minerallerinin kimyasal evrim ve yaşamın başlangıcındaki rolü ne kadar deneme yanılma yöntemiyle ele alınsa da, gelecekte elde edilecek sonuçlar çok şaşırtıcı olabilir.

Çalışmanın ilgili kısımlarının İngilizce metni diğer sayfalarda verilmiştir.

Role of Clay Minerals in Chemical Evolution and the Origins of Life
Hideo Hashizume
National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan
2012 Hashizume, licensee InTech
Introduction: …Oparin (1938) suggested that simple molecules (e.g., CH4, NH3) in the early Earth, reacted to form small bio molecules and complex bio-polymers (e.g., nucleoside, nucleotide, peptide, polynucleotide) which then evolved into multimolecular functional systems, and finally ‘life’ …It was Bernal (1951), however, who first suggested that clay minerals played a key role in chemical evolution and the origins of life because of their ability to take up, protect (against ultraviolet radiation), concentrate, and catalyze the polymerization of, organic molecules . Indeed, Cains-Smith (1982) has suggested that clay minerals can store and replicate structural defects, dislocations, and ionic substitutions, and act as ‘genetic candidates’. Thus, intercalation of organic molecules and monomers into the layer structure of clay minerals, such as montmorillonite and kaolinite, would favor the formation and replication of biopolymers with specified sequences (e.g., enzymes, polynucleotides)….
Clay Minerals: …The oldest rock on Earth is sedimentary in origin, suggesting that land erosion by rivers had already happened. Water would have come into contact with volcanic glass and rocks, opening the way to clay mineral formation. The Mars investigation indicates the occurrence in the planet’s surface of clay minerals with an age of > 3.5 Ga. By analogy, clay minerals would have formed on the early Earth.
Simple bio-molecules: Amino acids: Miller and Urey (1959) were able to synthesize bio-molecules from simple precursors (e.g., NH3, CH3, water) by circulating the mixture past an electric discharge (“spark”), simulating a lightning strike…When montmorillonite was added to Miller’s (1953) system, Shimoyama et al. (1978) found that the yield of amino acids with an alkylated side chain increased. Subsequently, Yuasa (1989) conducted the sparking experiment using HCN and NH4(OH) in the presence of montmorillonite, obtaining glycine, alanine, and aspartic acid as the main products… Adsorption of amino acids by clay mineral: …Greenland et al. (1962, 1965) investigated the interactions of various amino acids with H-, Na-, and Ca-montmorillonites [19, 20]. Arginine, histidine, and lysine adsorbed to Na- and Ca- montmorillonites by cation exchange. Other amino acids (alanine, serine, leucine, aspartic acid, glutamic acid, phenylalanine) adsorbed to H montmorillonite by proton transfer…Dashman and Stotzky (1982, 1984) reported that kaolinite adsorbed less amino acids and peptides than did montmorillonite… Nucleic acid bases: Nucleic acids contain two purine bases (adenine, guanine), and three pyrimidine bases (cytosine, uracil, thymine). Chittenden and Schwartz (1976) reported that the addition of montmorillonite increased the rate of adenine formation. No nucleic acid bases were found in the Miller experiment. Adenine was formed, however, when a mixture of HCN and montmorillonite was added to the reaction vessel, and exposed to lightning… Adsorption of nucleic acid bases by clay minerals: …Lawless et al. (1984) and Banin et al. (1984) reported that the adsorption of adenosine monophosphate (AMP) by montmorillonite, containing different exchangeable cations generally increased as solution pH decreased…Winter and Zubay (1995) investigated the relative ability of montmorillonite and hydroxylapatite in adsorbing adenine and adenine-related compounds. They found that montmorillonite adsorbed more adenine than the other compounds… Sugar: Sugars may be synthesized from formaldehyde through the Formose reaction. Clay and layered minerals (e.g., montmorillonite, brucite) can catalyze the self-condensation of formaldehyde. Further, the sugar oligomers formed are stabilized by adsorption to montmorillonite.
Polymerization of bio-polymers:
Peptides: clay minerals would have played an important role in concentrating and polymerizing such molecules on their surfaces. As a result, the concentration of organic molecules would increase, promoting their polymerization. The synthesis of glycine peptides with montmorillonite under trench-like hydrothermal conditions has been reported by Ohara et al. (2007) who obtained up to 10-mers of glycine. Clay mineral particles on the beach undergo repeated drying and wetting, being dried at low tide, and wetted at high tide. This condition would favor polymerization of the clayassociated organic molecules. Using kaolinite and bentonite as the clay minerals, and glycine as the organic species, Lahav et al. (1978) obtained measurable amounts of glycine oligomers up to the 5-mer…
Nucleotide polymers (RNA world): One hypothesis concerning the origins of life involves the ‘RNA world’ in which RNA molecules acted as both enzyme-like catalysts and genetic materials. RNA would be able behave like DNA.. The molecule of RNA is composed of a nucleic acid base, ribose and phosphate…Using the 5-phosphorimidazolide of adenine (ImpA) as the activated RNA monomer, Ferris and Ertem (1993) were able to obtain oligomers containing 6−14 monomer units in the presence of montmorillonite…The formation of RNA oligomers, however, is but the first step towards preparing RNA with more than 40 monomers that are theoretically required for the initiation of the RNA world. Long-chain (elongated) RNA can be obtained using the “feeding” procedure; that is, by daily addition of ImpA to the decanucleotide (10mer primer) adsorbed to Na-montmorillonite…
Cell origin: …The cell wall has a trans-membrane protein through which nutrients enter the cell. Clay minerals might function as a primordial cell. When clay minerals are deposited on the ocean floor (or dried), the particles form a pile, enclosing small spaces. It is conceivable that the small spaces behave like cells. Further, when clay minerals are dispersed in water, bubbles form in water or the surface of water, while the clay particles gather at the boundary between water and air. In such a case, clay minerals make a cell-like spherule…
Conclusions: …although various other materials in the early Earth would have participated in the formation of life-like structures. Most experiments related to the origins of life on Earth use specific clay minerals, such as montmorillonite and kaolinite… Besides being able to concentrate organic molecules, clay minerals can also control the surface arrangement of adsorbed nucleic acid bases or amino acids. By using a mixture of different clay mineral species, it may be possible to select a given bio-molecule over another for adsorption and polymerization. Although there is an element of trial and error in investigating the role of clay minerals in chemical evolution and the origins of life, we may yet be surprised by the outcome.