The origins of biomolecular asymmetry : study of extraterrestrial matter by two-dimensional gas chromatography

Description

The definition of "life" has not yet reached scientific consensus, but it can be understood as organisms with a life cycle built on cells that can undergo various chemical reactions of metabolism. These organisms are maintained in a state of homeostasis but can grow by cell division, reproduce, evolve, and adapt to their environment. Despite its current abundance on Earth, it must be kept in mind that life appeared at some point, spread and resulted in considerable diversity and complexity. At the molecular level, life emerged on Earth through key chemical building blocks capable of polymerizing and/or self-assembling, generating macromolecules such as DNA, RNA and proteins. These structures have the unique and crucial feature of being made of chiral monomers, and only one enantiomer has been selected to build life. This predominance of an enantiomer over the other is common to all organisms and called homochirality. Abiotically, this particularity is difficult to describe because it implies the selection of one enantiomer over its mirror image that is not generally the case without a biological support: racemic proportions are supposed to be obtained under these conditions. This symmetry breaking event, or the creation of an enantiomeric excess followed by its amplification, is still an ongoing question but is of fundamental importance for the appearance of life. Among the existing hypotheses presented herein, a plausible scenario could be the interaction between circularly polarized light (CPL) with organic matter inducing enantiomeric excesses. Indeed, enantioselective photolysis and/or photosynthesis using chiral light could have occurred on dust particles in the interstellar medium (ISM) and enantiomerically enriched compounds could have been incorporated in meteorites and asteroids that later seeded the early Earth. Therefore, the study of extraterrestrial materials such as meteorites, asteroids and comets become essential to obtain clues about the origin of life. The literature supports the existence of an extraterrestrial source of enantio-enriched building blocks, such as L-amino acids and D-sugars, along with the detection of CPL in the ISM. The means to investigate these excesses are discussed by combining a powerful analytical tool such as comprehensive multidimensional gas chromatography coupled to a time-of-flight mass spectrometer (GC×GC-TOFMS) to analyze complex mixtures and suitable derivatization procedures to improve volatility, detection and enantioseparation of chiral biomolecules. Amino acid derivatization has been studied extensively, whereas sugar derivatization is more challenging due to their cyclization behavior and must be adapted to the purpose of the analysis. To simultaneously investigate amino acids and sugars in extraterrestrial or analogous samples, a methodology for sampling, extraction, purification, and fractionation of these sample has been developed using ion exchange chromatography. Applications of this methodology, or parts of it, on samples such as the synthesis of amino acids starting from hexamethylenetetramine and the synthesis of sugars starting from formaldehyde under conditions simulating meteorite parent body alteration processes are highlighted.

Abstract (French)

La définition de la "vie" n'a pas encore fait l'objet d'un consensus scientifique, mais elle peut être comprise comme des organismes ayant un cycle de vie construit sur des cellules pouvant subir diverses réactions chimiques (métabolisme). Ces organismes sont maintenus dans un état d'homéostasie mais peuvent croître par division cellulaire, se reproduire, évoluer et s'adapter à leur environnement. Malgré son abondance actuelle sur Terre, il faut garder à l'esprit que la vie est apparue à un moment donné, s'est répandue et a donné lieu à une diversité et une complexité considérable. Au niveau moléculaire, la vie est apparue sur Terre grâce à des blocs de construction chimiques clés capables de polymériser et/ou de s'auto-assembler, générant des macromolécules telles que l'ADN, l'ARN et les protéines. Ces structures ont la caractéristique unique et cruciale d'être constituées de monomères chiraux, dont un seul énantiomère a été sélectionné pour construire la vie. Cette prédominance d'un énantiomère sur l'autre est commune à tous les organismes et est appelée homochiralité. Abiotiquement, cette particularité est difficile à décrire car elle implique la sélection d'un énantiomère par rapport à son image miroir, ce qui n'est généralement pas le cas sans support biologique : des proportions racémiques sont censées être obtenues dans ces conditions. Cet événement de rupture de symétrie, ou la création d'un excès énantiomérique suivi de son amplification est toujours une question en suspens mais est d'une importance fondamentale pour tenter d'expliquer l'apparition de la vie. Parmi les hypothèses existantes présentées ici, un scénario plausible pourrait être l'interaction entre la lumière polarisée circulairement (CPL) et la matière organique, induisant des excès énantiomériques. En effet, une photolyse et/ou une photosynthèse énantiosélective utilisant cette lumière chirale pourrait s'être produite sur des particules de poussière dans le milieu interstellaire (ISM), et des composés enrichis en énantiomères pourraient avoir été incorporés dans des météorites et des astéroïdes qui ont ensuite ensemencé la Terre primitive. Par conséquent, l'étude des matériaux extraterrestres tels que les météorites, les astéroïdes et les comètes devient essentielle pour obtenir des indices sur l'origine de la vie. La littérature soutient l'existence d'une source extraterrestre de composés enrichis en énantiomères, tels que les acides aminés L et les sucres D, ainsi que la détection de CPL dans l'ISM. Les moyens d'étudier ces excès sont discutés en combinant un outil analytique puissant tel que la chromatographie en phase gazeuse multidimensionnelle intégrale couplée à un spectromètre de masse à temps de vol (GC×GC-TOFMS) pour analyser des mélanges complexes, et des procédures de dérivatisation appropriées pour améliorer la volatilité, la détection et l'énantioséparation de biomolécules chirales. La dérivatisation des acides aminés a été largement étudiée tandis que la dérivatisation des sucres est plus délicate en raison de leur cyclisation, et doit être adaptée à l'objectif de l'analyse. Pour étudier simultanément les acides aminés et les sucres dans des échantillons extraterrestres ou analogues, une méthodologie pour l'échantillonnage, l'extraction, la purification et le fractionnement de ces échantillons a été développée en utilisant la chromatographie par échange d'ions. Les applications de cette méthodologie, ou de certaines de ses parties, sur des échantillons issus de la synthèse d'acides aminés à partir d'hexaméthylènetétramine et de la synthèse de sucres à partir de formaldéhyde dans des conditions simulant les processus d'altération du corps parent des météorites sont mises en évidence.

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