Gyvybės kilmės iššifravimas su prarastais biocheminiais įkalčiais | Ophthacare

SciTechDaily

Metabolizmas yra „plakanti ląstelės širdis“. Nauji ELSI tyrimai atskleidžia medžiagų apykaitos istoriją nuo pradinės Žemės iki dabarties (iš kairės į dešinę). Junginių atradimo istorija laikui bėgant (balta linija) yra cikliška, beveik panaši į EKG. Autoriai: NASA Goddardo kosminių skrydžių centras / Francis Reddy / NASA / ESA

Naujas tyrimas rodo, kad norint paversti paprastus geocheminius junginius į sudėtingas gyvybės molekules, reikia tik kelių „pamirštų“ biocheminių reakcijų.

Gyvybės Žemėje kilmė ilgą laiką buvo paslaptis, kurios mokslininkai nepastebėjo. Pagrindinis klausimas yra tai, kiek gyvybės Žemėje istorijos praranda laikas. Tai gana įprasta vienišiams rūšių „palaipsniui panaikinti“ naudojant biocheminę reakciją, o jei tai įvyksta pakankamai daug rūšių, gyvybė Žemėje tokias reakcijas gali veiksmingai „pamiršti“. Bet jei biochemijos istorija kupina pamirštų reakcijų, ar būtų kaip nors pasakyti?

Šis klausimas įkvėpė mokslininkus iš Žemės ir gyvybės mokslo instituto (ELSI) Tokijo technologijos institute ir Kalifornijos technologijos instituto (CalTech) Jungtinėse Amerikos Valstijose. Jie samprotavo, kad pamiršta chemija atsiras kaip pertrūkiai arba „lūžiai“ kelyje, kurį chemija eina nuo paprastų geocheminių molekulių iki sudėtingų biologinių molekulių.

Ankstyvosios Žemės biochemijos evoliucija

Ankstyvojoje Žemėje buvo daug paprastų junginių, tokių kaip vandenilio sulfidas, amoniakas ir anglies dioksidas – molekulių, kurios paprastai nėra susijusios su gyvybės palaikymu. Tačiau prieš milijardus metų ankstyvoji gyvybė priklausė nuo šių paprastų molekulių kaip žaliavų šaltinio. Vystantis gyvybei, biocheminiai procesai šiuos pirmtakus pamažu pavertė junginiais, kurie egzistuoja ir šiandien. Šie procesai atspindi ankstyviausius medžiagų apykaitos kelius.

Metabolizmo kelių atsiradimo laikas

Siekdama sukurti evoliucinės metabolizmo istorijos biosferos mastu modelį, tyrimo grupė sudarė 12 262 biocheminių reakcijų duomenų bazę iš Kioto genų ir genomų enciklopedijos (KEGG) duomenų bazės. Autoriai: Goldford, JE, Nat Ecol Evol (2024)

Biocheminės evoliucijos tyrimo metodika

Norėdami modeliuoti biochemijos istoriją, ELSI mokslininkams – specialiai paskirtam docentui Harrison B. Smith, specialiai paskirtam docentui Liam M. Longo ir docentui Shawn Erin McGlynn, bendradarbiaujant su tyrėju Joshua Goldfordu iš CalTech, reikėjo atlikti visų žinomų biocheminių medžiagų aprašą. reakcijas, kad suprastų, kokias chemijos rūšis gali atlikti gyvybė.

Jie kreipėsi į Kioto genų ir genomų enciklopedijos duomenų bazę, kurioje yra daugiau nei 12 000 biocheminių reakcijų. Su reakcijomis jie pradėjo modeliuoti laipsnišką metabolizmo raidą.

Metabolinės evoliucijos modeliavimo iššūkiai

Ankstesni bandymai tokiu būdu modeliuoti medžiagų apykaitos evoliuciją nuolat nesugebėjo pagaminti gausiausių, sudėtingiausių molekulių, kurias naudoja šiuolaikinis gyvenimas. Tačiau priežastis nebuvo iki galo aiški. Kaip ir anksčiau, kai tyrėjai paleido savo modelį, jie nustatė, kad galima pagaminti tik keletą junginių.

Vienas iš būdų išspręsti šią problemą yra sustabdyti chemiją rankiniu būdu tiekiant šiuolaikinius junginius. Tyrėjai laikėsi kitokio požiūrio: jie norėjo nustatyti, kiek reakcijos buvo dingęs. Ir jų paieška atvedė juos prie vienos iš svarbiausių visos biochemijos molekulių: adenozino trifosfato (ATP).

ATP kliūtis ir jos sprendimas

ATP yra ląstelės energijos valiuta, nes jis gali būti naudojamas reakcijoms, pvz., baltymų susidarymui, sukelti, kurios kitu atveju nevyktų vandenyje. Tačiau ATP turi unikalią savybę: Reakcijoms, kurios pačios gamina ATP, reikalingas ATP. Kitaip tariant, jei ATP jau nėra, šiandieniniame gyvenime nėra kito būdo gaminti ATP. Ši ciklinė priklausomybė buvo priežastis, kodėl modelis sustojo.

Kaip būtų galima išspręsti šią „ATP kliūtį“? Kaip paaiškėjo, reaktyvioji ATP dalis yra nepaprastai panaši į neorganinį junginį polifosfatą. Leidžiant ATP generuojančioms reakcijoms vietoj ATP naudoti polifosfatą – iš viso modifikuojant tik aštuonias reakcijas – būtų galima pasiekti beveik visą šiuolaikinį branduolinį metabolizmą. Tada mokslininkai galėjo įvertinti visų įprastų metabolitų santykinį amžių ir užduoti konkrečius klausimus apie medžiagų apykaitos takų istoriją.

Metabolizmo keliai: linijiniai vs. mozaika

Vienas iš tokių klausimų yra, ar biologiniai keliai yra sukurti linijiniu būdu – kai viena po kitos pridedama viena reakcija – ar reakcijos iš kelių susiformavo kaip mozaika, kur labai skirtingo amžiaus reakcijos yra tarpusavyje susijusios. suformuoti kažką naujo. Tyrėjai sugebėjo tai įvertinti kiekybiškai ir nustatė, kad abu metabolizmo būdai yra beveik vienodai paplitę.

Išvada ir pasekmės

Tačiau grįžkime prie klausimo, kuris įkvėpė tyrimą – kiek biochemijos prarandama laikui? „Galbūt niekada tiksliai nežinome, bet mūsų tyrimai pateikė svarbų įrodymą: norint užpildyti atotrūkį tarp geochemijos ir biochemijos, reikia tik aštuonių naujų reakcijų, kurios visos primena įprastas biochemines reakcijas“, – sako Smithas.

„Tai neįrodo, kad trūkstamos biochemijos erdvė yra maža, tačiau tai rodo, kad net išnykusias reakcijas galima iš naujo atrasti iš pėdsakų, paliktų šiuolaikinėje biochemijoje“, – daro išvadą Smithas.

Nuoroda: Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, Liamas M. Longo, Boswell A. Wing ir Shawn Erin McGlynn, 2024 m. kovo 22 d. Gamtos ekologija ir evoliucija.
DOI: 10.1038/s41559-024-02361-4

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *