Nanočástice: budoucnost nebo dávná minulost?

Termální pramen Grand Prismatic Spring, Yellowstone, ilustrační foto.
zdroj: Wikipedia, autor: Jim Peaco

Minerály jsou pro život zásadní a neméně důležité byly i při jeho vzniku – to je známo již od 50. let minulého století. V roce 1966 chemik Cairns-Smith dokonce přišel s hypotézou, že celý začátek života byl postaven pouze na jílových minerálech. Dnešní vědecké poznatky jeho poznatky lehce opravují, jelikož zásadní byl nejenom jíl, ale geochemické prostředí rané Země jako celek. Planeta musela být rájem pro vznik života, ale jaký ten ráj byl a jaké procesy hrály stěžejní roli? Důležitost minerálů je nepopiratelná. Spolu s krystaly hraje povrch minerálů extrémně důležitou roli, jelikož je na něm možné zakoncentrovat a selektovat různé látky, což mohlo značně dopomoci vzniku komplikovanějších sloučenin. Současné vědecké teorie hovoří o tak zvané kinetické pasti – lapení vhodných chemických látek během reakcí. Vhodným prostředím mohly být horké prameny díky silné vulkanické činnosti na rané Zemi a také horká místa po dopadu asteroidů. Podle českých vědců je velmi pravděpodobné, že život vznikl právě zde.

Co s tím ale mají společného nanočástice? Studie se soustředí na jeden typ nanočástic – tzv. kvantové tečky, a to konkrétně na ty tvořené ze zinku a kadmia (ZnCd). Kvantové tečky jsou spíše předmětem technologického výzkumu s ohledem na široké průmyslové aplikace. Standardně jsou připravovány uměle ze dvou kovů. Malé rozměry jim propůjčí vlastnosti zcela odlišné od materiálu, ze kterého jsou vytvořeny. Navíc je možné tyto vlastnosti změnou velikosti „ladit“. Kvantové tečky nejsou však jen průmyslovou realitou, ale vytvořit je umí i sama příroda. Vznikají například v hydrotermálních pramenech nebo při spalování biomasy a jsou důležitou složkou našeho okolí. Při vzniku života mohly hrát velmi důležitou roli díky svým univerzálním katalytickým schopnostem.

Skupina vědců se zaměřila na tři hlavní aspekty významu ZnCd kvantových teček, které posloužily jako modelový systém pro výzkum jejich vzniku za podmínek rané Země. K syntéze dojde snadno v roztoku iontů příslušných kovů, přesněji jejich solí, v přítomnosti sirných alkoholů a formamidu, který je důležitou molekulou v chemii vzniku života. V takovém roztoku vznikají kvantové tečky jen díky ozařování UV zářením simulujícím paprsky raného Slunce dopadající na povrch Země, v té době ještě bez ozonové vrstvy. Prostředí pro jejich vznik je tak stejné jako prostředí vhodné pro vznik života.

Dále se studie soustředila na funkci ZnCd kvantových teček. Prvním důležitým uplatněním je katalýza. Tečky jsou schopné podpořit syntézu nukleových bází RNA (ribonukleové kyseliny) za přítomnosti formamidu. Syntéza pak poskytuje vyšší výtěžek molekul zásadních pro život, jak ho známe. Obzvláště patrný je rozdíl u pyrimidinových bází, které v prostředí formamidu obvykle vznikají s menšími výtěžky než báze purinové. Za přítomnosti ZnCd kvantových teček je tomu však naopak. Druhou funkcí zkoumaných nanočástic je funkce nanozymu, to jsou částečky nanorozměrů, které se chovají podobně jako enzymy. ZnCd kvantové tečky jsou schopné napodobit enzym peroxidázu a v přítomnosti peroxidu vodíku tak fungují jako oxidační činidlo. Kromě toho jsou schopné fungovat podobně jako další enzymy důležité pro vznik života a fungování základních dějů na úrovni genetické informace – restrikční endonukleázy. Tyto enzymy mají za úkol štěpit vlákno DNA na konkrétních místech.

Vědcům se tak podařilo dokázat, že formamid, který je významnou složkou tzv. prebiotické polévky (chemické směsi před vznikem života), poskytuje vhodné prostředí pro tvorbu ZnCd kvantových teček pomocí UV záření. Pomocí experimentů napodobujících tehdejší podmínky se také podařilo ukázat peroxidázovou aktivitu těchto nanočástic. Kvantové tečky tak jistě mohly své místo v prebiotické chemii mít. Stále však zbývá prozkoumat další typy kvantových teček a jejich komplexní nanozymatickou aktivitu.

Nejdl, L.; Petera, L.; Šponer, J.; Zemánková, K.; Pavelicová, K.; Knížek, A.; Adam, V.; Vaculovičová, M.; Ivanek, O.; Ferus, M. Quantum Dots in Peroxidase-like Chemistry and Formamide-Based Hot Spring Synthesis of Nucleobases. Astrobiology 2022, 22 (5), 541–551.

Magda Křelinová