Nanopartikler av jernoksid og sulfider spiller en essensiell rolle i mange biokjemiske og miljømessige prosesser. Deres unike fysikalske og kjemiske egenskaper gjør dem i stand til å etterligne enzymatiske funksjoner, spesielt i oksidasjons-reduksjonsreaksjoner. Disse nanopartiklene fungerer som katalysatorer som kan fremme eller regulere biologiske reaksjoner, ofte på en måte som ligner naturlige enzymer, men med større stabilitet under ekstreme forhold.

I biologiske systemer kan jernoksid- og sulfidnanopartikler bidra til elektrontransport og katalyse i metabolske veier, spesielt i mikroorganismer som lever i jern- eller svovelrike miljøer. De kan fungere som redox-sentre, hvor elektroner overføres mellom molekyler, noe som er kritisk for cellulær energiomsetning. For eksempel har magnetosomer, som er magnetiske jernoksidnanopartikler produsert av visse bakterier, vist seg å ha viktige funksjoner i cellulær navigasjon og oksidativ metabolisme.

Videre har forskning vist at slike nanopartikler kan katalysere reaksjoner som vanligvis krever komplekse enzymer, og dermed gi innsikt i tidlige livsformer og utviklingen av biokatalyse. Disse partikkelene kan også spille en rolle i oksidativt stress og beskyttelse mot reaktive oksygenarter ved å fungere som antioksidanter, noe som har betydning for cellehelse og aldring.

Studier indikerer at nanopartikler av jernoksid og sulfider kan ha høy katalytisk aktivitet og selektivitet, og deres overflateegenskaper kan modifiseres for å optimalisere disse funksjonene. Dette åpner for potensielle bioteknologiske anvendelser, blant annet innen bioremediering, biosensorer og syntese av bioaktive forbindelser.

Det er viktig å forstå at effektene av slike nanopartikler ikke bare er bestemt av deres kjemiske sammensetning, men også

Hvordan påvirker metaller og organiske forbindelser prebiotisk kjemi og tidlige jordforhold?

Jern forekom hovedsakelig som toverdig jern (Fe²⁺) i den tidlige jordens anoksiske hav, mens mindre mengder treverdig jern (Fe³⁺) kunne dannes gjennom fotolyse eller reaksjoner med geologiske oksidanter. Mineraler som inneholdt toverdig jern, slik som olivin (fayalitt), pyroxener med Fe³⁺-substitusjon og hydrerende fylosilikater, var utbredt i Hadean-periodens geologi. Mangan er spesielt interessant fordi oksidasjonen fra Mn(II) til Mn(IV) ofte er kinetisk hindret, noe som kan gi innsikt i tidligere redoksforhold. På Mars, for eksempel, tyder funn av Mn(IV)-oksider i Gale-krateret på sterkt oksiderende forhold for omtrent 3,6 milliarder år siden. På jorden kan Mn(IV)-oksider være biomarkører, siden få abiogene prosesser effektivt oksiderer Mn(II) til Mn(IV), mens bakterier og sopp utfører denne oksidasjonen raskt. Mangan forekommer også i miljøer som kan ha vært gunstige for livets opprinnelse, som i hydrotermale væsker i terrestriske varme kilder og i undersjøiske hydrotermale skorsteiner.

Når det gjelder organiske forbindelser, er aminosyrene glysin og cystein valgt som modeller i denne studien. Glysin er den enkleste aminosyren og anses som prebiotisk viktig, ettersom den er utbredt i meteoritter og prebiotiske eksperimenter. Cystein, selv om den ikke er påvist i meteoritter, er også relevant på grunn av sin reaktive nukleofile gruppe, svovelholdige metallbindingssted og redoksegenskaper, noe som gjør den sentral i studier av organometalliske komplekser, særlig i metalloenzymer. Syntesen av cystein abiotisk regnes som krevende, og den sees ofte som et evolusjonært produkt, men nyere studier viser mulige biomimetiske synteseveier. Glysin danner komplekser med jern og mangan ved å binde seg gjennom amin-nitrogen og karboksylat-oksigen, mens cystein danner komplekser med både toverdig og treverdig jern i svakt sure medier, hvor den også kan danne disulfidbindinger gjennom abiogen oksidasjon. Jern fungerer som en effektiv katalysator i denne disulfidbindingen, der to komplekserte cysteinmolekyler reduserer Fe³⁺ til Fe²⁺ samtidig som de danner cystin.

Videre er 1,4-benzoquinon og NAD+ valgt som redoksaktive kofaktorer. NAD+ er allment forekommende i levende organismer og regnes som evolusjonært gammelt, med dokumentert abiogen reaktivitet med FeS-mineraler. P-benzoquinon, som er den viktigste redokskomponenten i ubiquinon, deltar i både en- og to-elektron redoksreaksjoner og er bemerkelsesverdig stabil mot pyrolytisk nedbrytning opp til 800 °C. Det dannes også under astrofysiske forhold, og er funnet i isete støvpartikler og karbonholdige meteoritter, noe som gjør det relevant i prebiotisk kjemi.

Fosfor, et essensielt bioelement, antas å ha vært kritisk for livets opprinnelse. I Hadean-havet var fosfor hovedsakelig tilstede som fosfat (HPO₄²⁻/PO₄³⁻), som også er påvist på Mars og Enceladus. En redusert form, fosfit (HPO₃²⁻), var også stabil i jordens anoksiske hav og er funnet i 3,52 milliarder år gamle karbonatbergarter. Fosfit kan ha oppstått gjennom korrosjon av fosfidmineraler brakt til jorden via meteoritter, eller dannet under kraftige geologiske hendelser som nedslag eller lyn. Fosfat binder lett til oppløste metallioner, spesielt Fe²⁺ og Ca²⁺, og danner mineraler som vivianitt og apatitt, noe som kan ha redusert fosfatets tilgjengelighet for prebiotiske reaksjoner. Fosfit, derimot, er mer løselig og kunne derfor nå høyere konsentrasjoner i havet. Under UV-stråling eller sterke oksidanter kan fosfit oksideres til fosfat og polyfosfater via Fenton-lignende kjemi, hvor polyfosfater kan videre brukes til å fosforylere organiske molekyler.

Denne studien brukte elektronparamagnetisk resonansspektroskopi (EPR) for å karakterisere abiotiske organiske-mineralblandinger, med fokus på hvordan organiske molekyler påvirker analyse av mineraler under tidlig-jord-lignende forhold. EPR er en ikke-destruktiv teknikk som måler overganger mellom elektronspinnenerginivåer i nærvær av et magnetfelt. Dette gjør det mulig å studere radikalreaksjoner, paramagnetiske arter og metall-koordinasjoner i komplekse systemer, noe som er avgjørende for forståelsen av prebiotiske prosesser.

Forståelsen av metallers ulike oksidasjonstilstander og deres kompleksering med biologisk relevante organiske molekyler gir innsikt i mulige katalytiske og redoksreaksjoner som kunne ha funnet sted på den tidlige jorden. Det understrekes også at fosforets form og tilgjengelighet spiller en kritisk rolle i prebiotisk kjemi, spesielt i hvordan reduserte former som fosfit kan ha bidratt til dannelsen av livets byggesteiner gjennom videre oksidasjon og fosforylering.

Det er vesentlig å erkjenne at slike redoks- og koordinasjonsreaksjoner ikke bare gir informasjon om jordens tidlige geokjemi, men også om potensielle biosignaturer og betingelser for livets opprinnelse, både på jorden og andre himmellegemer. Det innebærer at metallorganiske interaksjoner og tilgjengeligheten av fosfor i forskjellige oksidasjonstilstander er nøkkelparametere for å forstå de første steg mot levende systemer.

Hvordan Patrick og Sylviane Bygde En Verdensomspennende Bilarrangementimperium
Hvordan engasjement påvirker politisk polarisering og ideologiske holdninger
Hvordan lage en smakfull og næringsrik middag med kylling, sellerirot og poteter