Gyvybės kibirkštis laboratorijoje – be ląstelių

„Žmonės sakė, kad šie virsmai atrodo taip sudėtingai, kad vien aplinkos chemija jų negalėjo suformuoti,“ sako tyrimui vadovavęs Markusas Ralseris iš Kembridžo universiteto.

Bet jo atradimai rodo, kad daugelis šių reakcijų galėjo spontaniškai vykti ankstyvuosiuose Žemės okeanuose, kur jas katalizavo metalų jonai, o ne fermentai, kaip tai vyksta dabartinėse ląstelėse.

Metabolizmo kilmė yra didelė mūsų supratimo apie gyvybės atsiradimą spraga. „Jei pažvelgsite į daugelį organizmų iš viso pasaulio, šis reakcijų tinklas atrodo labai panašiai, ir tai rodo, kad atsirasti jis turėjo pačioje evoliucijos pradžioje, bet niekas tiksliai nežino, kada ir kaip,“ sako Ralseris.

Laimingas atsitiktinumas

Pagal vieną teoriją, pirmieji gyvybės statybiniai blokai buvo RNR, nes ji padeda gaminti sudėtingas reakcijų sekas katalizuojančius fermentus. Kita galimybė, kad iš pradžių atsirado metabolizmas; gal netgi sukurdamas RNR gamybai reikalingas molekules, o vėliau ląstelės įtraukė šiuos procesus į savo repertuarą – bet šią teoriją remiančių įrodymų buvo mažai.

„Tai pirmasis eksperimentas, rodantis, kad įmanoma sukurti metabolinį tinklą ir be RNR,“ pažymi Ralseris.

Įdomu, kad atradimas buvo atsitiktinis, padarytas per įprastinį Ralserio laboratorijoje naudojamo ląstelių auginimo substrato kokybės kontrolės bandymą. Norėdamas greičiau atlikti užduotį, vienas iš jo studentų nusprendė nepanaudotą medžiagą ištirti masės spektrometru, kuris parodė, kad ten esama piruvato – glikolizės metabolinio proceso galutinio produkto.

Norėdami patikrinti, ar tokie procesai galėjo padėti įžiebti gyvybę Žemėje, jie susisiekė su kolegomis iš Žemės mokslų departamento, kurie stengiasi atkurti prieš beveik 4 milijardus metų planetą dengusio Archėjos okeano chemiją. Tai buvo bedeguonis pasaulis iki fotosintezės atsiradimo, kai vandenyje buvo pilna geležies ir kitų metalų bei fosfatų. Visos šios medžiagos potencialiai galėjo dalyvauti reakcijose, panašiose į dabar vykstančias ląstelėse.

Metabolizmo stuburas

Ralserio komanda ėmė ankstyvojo okeano tirpalus, pridėdavo medžiagų, kurios yra dabartinių metabolinių procesų pradžios taškai ir kaitindavo 50 ˚C – 70 ˚C temperatūros mišinius – tokias sąlygas galima rasti prie hidroterminių versmių – 5 valandas. Tada Ralseris analizuodavo tirpalų cheminę sudėtį, kad išsiaiškintų, kokios molekulės susidarė.

„Iš pradžių tikėjomės rasti vieną ar gal dvi reakcijas, bet rezultatai pribloškė,“ sako Ralseris. „Galėjome atkurti du metabolinius procesus praktiškai visiškai.“

Jų aptikti procesai buvo glikolizė ir pentozės fosfato procesas, „reakcijos, formuojančios bet kurios gyvos ląstelės metabolinį stuburą,“ priduria Ralseris. Drauge šie procesai sukuria kai kurias iš svarbiausių dabartinių ląstelių medžiagų, tarp kurių ir ATP – molekulė, kurią ląstelės naudoja kaip visos savo mašinerijos kurą, DNR ir RNR sudarantys cukrūs ir baltymų bei riebalų gamybai reikalingos molekulės.

Jei tokie metaboliniai procesai vyko ankstyvuosiuose okeanuose, tada pirmosios ląstelės galėjo juos apglobti, kai išsivystė membranas.

Iš viso užfiksuotos 29 metabolizmą primenančios reakcijos, kurias tikriausiai katalizavo geležis ir kiti metalai, kurių buvo rasta ankstyvosiose okeano nuosėdose. Šie metaboliniai procesai nėra identiški vykstantiems dabar; kai kurių tarpiniuose žingsniuose susidarančių cheminių medžiagų nebuvo rasta. Tačiau, „jei palyginsite juos vieną su kitu, jų struktūra tokia pati ir susiformuoja daugelis tokių pat molekulių,“ sako Ralseris. Šie procesai galėjo pagerėti ir patobulėti ląstelėse išsivysčius fermentams.

Grįžtama reakcija

Ypač pažymėtinas ribozės 5-fosfato metabolitas, sako Ralseris. Jis yra RNR molekulės, koduojančios informaciją, katalizuojančios chemines reakcijas ir visų svarbiausia, galinčios save kopijuoti – replikuotis, prekursorius.

„Manau, šis tyrimas turi išties įdomias gyvybės atsiradimo konotacijas,“ sako Matthew Powneris iš UCL. Tai suteikia užuominų, kaip galėjo išsivystyti sudėtingesni fermentai, nes medžiagos, šiuos ankstyvuosius procesus padariusios efektyvesniais, turėjo atrankos pranašumą, priduria jis.

Tačiau yra viena didelė problema. „Siekiant suprasti gyvybės atsiradimą, svarbu išsiaiškinti, iš kur radosi šios pradinės molekulės,“ paaiškina Powneris. Kol kas dar niekas neparodė, kad tokios medžiagos galėjo spontaniškai susiformuoti ankstyvuosiuose okeanuose.

Susijusi problema yra ir tai, kad stebėtos reakcijos vyksta tik viena kryptimi; iš sudėtingų cukrų į paprastesnes molekules, pavyzdžiui, piruvatą. „Iš šių duomenų galima daryti išvadą, kad bet kokios organinės medžiagos vandenyne būtų visiškai suirusios, o ne formuotų dabartinio metabolizmo pagrindą,“ sako Jackas Szostakas, Harvardo universitete tyrinėjantis gyvybės kilmę. „Daryčiau išvadą, kad ląstelėse metabolizmas turėjo išsivystyti po vieną reakciją ir su vienu katalizatoriumi.“

Bet Ralseris nesutinka. Jo nuomone, kas bebūtų katalizavęs reakciją, fermentas ar molekulės iš Archėjos vandenyno, rezultatas tas pats; „bet kuri cheminė reakcija iš principo yra grįžtama, nesvarbu, ar katalizatorius yra fermentas, ar paprasta molekulė,“ sako jis.

Žurnalo nuoroda: Molecular Systems Biology, DOI: 10.1002/msb.20145228

Linda Geddes
New Scientist