Alzheimerio ligą žyminčios molekulės galėjo padėti ankstyvajai gyvybei

Be fermentų gyvybės metabolinės reakcijos paprasčiausiai nevyktų. Bet fermentus sukurti nuo brėžinio nėra lengva. Paprastai jie yra dideli, sudėtingi baltymai, išsilankstę į specifinę trimatę formą. Sunku suprasti, kaip šie stambūs baltymai galėjo atsirasti iš pirminės sriubos visiškai susiformavę.

Net jei jie taip būtų atsiradę, gamtai būtų iškilusi kita problema. Yra 20 natūraliai randamų aminorūgščių, visų baltymų statybinių blokų, o kiekvienas fermentas sudarytas iš mažiausiai 100 aminorūgščių unikalios sekos. Tai reiškia, kad yra svaiginančiai daug – 20¹⁰⁰ – įmanomų fermentų, kurių kiekvieno kitokia aminorūgščių seka ir skiriasi 3D struktūra.

Bet iš tų 3D struktūrų labai nedaug bus efektyvūs fermentai, kadangi jie turi tiksliai atitikti medžiagą, su kuria reaguoja – lygiai kaip spyną gali atrakinti tik vienas konkretus raktas. Netgi turint galvoje milijonus problemos sprendimui skirtų metų, sako Ivanas Korendovychius iš Sirakūzų universiteto Niujorke, gamtai nebūtų pavykę sukurti ir išbandyti visų įmanomų fermentų, siekiant atpažinti tuos nedaugelį, katalizuojančius dabartines metabolines reakcijas.

Pirminiai peptidai

Korendovychiaus naujausias tyrimas kaip galimą sprendimą siūlo amiloidus. Kitaip nei fermentai, amiloidus sudaro labai trumpos aminorūgščių grandinės, peptidai. „Galima įsivaizduoti, kad šie peptidai sudarė pirmykštę sriubą,“ sako Korendovychius.

Amiloidai sukuriami spontaniškai, sumaišius krūvą trumpų peptidų. Kiekvienas amiloidas yra sudėtinga 3D struktūra, išvaizda nelabai tesiskirianti nuo fermento. Bet ar jie gali ir elgtis kaip fermentai?

Siekdamas tai išsiaiškinti, Korendovychius su kolegomis sukūrė septynis labai paprastus peptidus, kiekvienas kurių susidėjo iš 7 aminorūgščių. Tada leido kiekvieno peptidų tipo molekulėms spontaniškai sulipti į amiloidus, proceso paspartinimui pridėdamas cinko, kadangi tokie metalai kaip cinkas, gali turėti katalitinių savybių.

Keturi iš septynių peptidų suformavo amiloidus, galinčius katalizuoti organinių molekulių, esterių, hidrolizę – šią reakciją katalizuoja ir kai kurie fermentai.

„Niekas anksčiau nebuvo pademonstravęs, kaip tokie trumpi peptidai gali patys susijungti į fermentus primenančius katalizatorius,“ sako Korendovychius.

Rezultatas rodo, kad amiloidai galėjo išspręsti gamtos ankstyvąją fermentų problemą – ir ne tik todėl, kad pirmykštėje sriuboje trumpi peptidai galėjo formuoti santykinai lengvai.

„Tarkime, kad visos 20 natūraliai randamų aminorūgščių egzistavo ir tada,“ sako Korendovychius. „Jei kiekvieną peptidą sudaro septynios aminorūgštys, tai yra 20⁷ įmanomų peptidų – daug mažiau, nei 20¹⁰⁰ galimybių, jei peptiduose būtų po 100 aminorūgščių.“

Katalitinės sankaupos

Kai gamta sukūrė visą ar net tik dalį šios santykinai mažos trumpų peptidų bibliotekos, įvairios jų kombinacijos galėjo natūraliai sukibti ir suformuoti daugybę amiloidų su skirtinga 3D struktūra.

Vėliau amiloidai, veikę kaip katalizatoriai, galėjo pasitarnauti kaip savotiški brėžiniai, kuriuos gamta galėjo panaudoti didelių dabar egzistuojančių fermentų molekulių kūrimui – tikriausiai todėl, sako Korendovychius, kad didelės fermentų molekulės iš esmės geriau pritaikytos reakcijų katalizavimui, nei iš trumpų peptidų sudurti amiloidai.

„Tai svarbus darbas,“ pažymi Ehudas Gazitas iš Tel Avivo universiteto Izraelyje, padėjęs vystyti trumpų peptidų teoriją, bet nedalyvavęs paskelbtame tyrime. Gazitas sako, kad idėja kilo iš stebėjimų, kaip kai kurios iš trumpų peptidų susiformavusios amiloidų struktūros turi primityvias katalitines savybes. „Šis tyrimas pakelia tai į naują lygį, pademonstruodamas panašias į fermentų katalitines savybes,“ dėsto jis.

Jamesas Milner-White'as iš Glasgow universiteto, JK, sutinka, kad amiloidų teorija tvirta, bet sako, kad naujajame tyrime galėjo būti atlikta įtikinamesnė demonstracija. „Tai be abejo įdomus atradimas, bet jie nepasirinko teisingo metalo jono – visi duomenys rodo, kad ankstyvuosiuose vandenynuose netrūko geležies ir nikelio, bet cinko koncentracija buvo maža.“ Jis svarsto, kad teorija būtų dar įtikinamesnė, jei Korendovychiaus komanda panašius rezultatus gautų, naudodama geležį ar nikelį.

Žurnalo nuoroda: Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.1894

Colin Barras
New Scientist № 2961