Unravelling the formation of guanine in the ISM

Abstract

The chemical processes within the Interstellar Medium (ISM) are intricate and involve a diverse array of organic molecules, composed of carbon, nitrogen, and oxygen among other elements. These molecules are believed to play a crucial role in the formation of bio-molecules, such as guanine. Understanding the genesis of such prebiotic molecules in the ISM has been a subject of significant interest for over half a century. Here, we present an extensive computational investigation to elucidate the possible chemical pathways leading to the formation of guanine in the cold regions of the ISM. With this purpose, the AutoMeKin software was used in combination with MOPAC and Gaussian16, along with the semi-empirical PM7 method and Density Functional Theory (DFT) [MO8HX/6-31+G(d,p)], respectively. Our findings reveal that guanine can be synthesized via different barrierless free radical pathways. Moreover, we established a correlation between guanine and structural isomers of cytosine, indicating a common potential pathway for the formation of other substantial nucleobases. This study also highlights the effectiveness of AutoMeKin software in generating tautomers of molecules, showing a strong alignment with both experimental and theoretical data obtained in recent years.

Los procesos químicos dentro del Medio Interestelar (ISM, por sus siglas en ingles) son complejos e implican una diversa gama de moléculas orgánicas compuestas por carbono, nitrógeno y oxígeno, entre otros elementos. Se cree que estas moléculas juegan un papel crucial en la formación de biomoléculas, como, por ejemplo, la guanina. Entender el origen de estas moléculas prebióticas en el ISM ha sido un tema de interés significativo durante más de medio siglo. En este trabajo se presenta una amplia investigación computacional para elucidar los posibles caminos de reacción que conducen a la formación de guanina en las regiones frías del ISM. Con este propósito, se ha utilizado el software AutoMeKin en combinación con MOPAC y Gaussian16, junto con el método semi-empírico PM7 y la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) [MO8HX/6-31+G(d,p)], respectivamente. Los resultados obtenidos revelan que guanina puede ser obtenida a través de diferentes reacciones químicas que implican radicales libres sin barreras energéticas. Además, se ha establecido una correlación entre la guanina y los isómeros estructurales de la citosina, indicando un posible camino común para la formación de otras bases nitrogenadas importantes. Este estudio también destaca la efectividad del software AutoMeKin en la generación de tautómeros de moléculas, mostrando una estrecha alineación de nuestros datos con aquellos publicados en la literatura.