Stulbinantys tyrimo rezultatai: tai keičia supratimą apie gyvybės raidą Žemėje - turės įtakos nežemiškos gyvybėms paieškoms ir atvers visiškai naujas galimybes

Šis atradimas keičia gyvybės išsivystymo kitose planetose lūkesčius. Deguonį kuriančios fotosintezės išsivystymas laikomas esminiu vėlesnės sudėtingos gyvybės išsivystymo faktoriumi. Manyta, kad jos išsivystymas truko kelis milijardus metų, bet jei iš tiesų tai galėjo atlikti ankstyviausia gyvybė, tuomet egzoplanetose sudėtinga gyvybė galėjo išsivystyti daug anksčiau, nei manyta.

„Dabar žinome, kad fotosistemoje II yra evoliucinės struktūros, kurios įprastai būdingos tik seniausiems žinomiems fermentams, kurie buvo gyvybiškai būtini pačiai gyvybei išsivystyti.“ —

Dr. Tanai Cardona

Tyrėjų komanda, vadovaujama ICL mokslininkų, atsekė esminių fotosintezės baltymų evoliuciją iki, tikėtina, bakterinės gyvybės Žemėje pradžios. Jų tyrimo rezultatai publikuoti ir laisvai prieinami BBA – Bioenergetics.

Vyr. tyrėjas Dr. Tanai Cardona, iš ICL gyvybės mokslų padalinio, sakė: „Anksčiau parodėme, kad deguonį kurianti biologinė fotosistema II, itin sena, bet lig šiol negalėjome jos padėti gyvybės istorijos laiko juostoje.

„Dabar žinome, kad fotosistemoje II yra evoliucijos bruožų, įprastai priskiriamų tik seniausiems žinomiems fermentams, kurie buvo būtini pačios gyvybės radimuisi.

Ankstyvoji deguonies gamyba

Šviesą prieinama energija verčianti fotosintezė būna dviejų formų: kurianti deguonį arba ne. Įprasta manyti, kad deguonį kurianti forma išsivystė vėliau, konkrečiai – atsiradus cianobakterijoms, arba žaliadumbliams ir melsvadumbliams, prieš maždaug 2,5 mlrd. metų.

Nors kai kurie tyrimai rodė, kad deguonį gaminanti (oksigeninė) fotosintezė galėjo vykti jau ir anksčiau, vis viena tai laikyta inovacija, kurios atsiradimas Žemėje truko bent porą milijardų metų.

Naujasis tyrimas rodo, kad fermentai, atliekantys esminį oksigeninės fotosintezės procesą – skaidantys vandenį į vandenilį ir deguonį – galėjo egzistuoti jau vienose iš ankstyviausių bakterijų. Ankstyviausi gyvybės Žemėje pėdsakai yra daugiau nei 3,4 milijardų metų amžiau, o kai kurios studijos rodo, kad ankstyviausiai gyvybė gali būti daugiau nei 4,0 milijardų metų.

Kaip ir akies evoliucijos atveju, pirmoji oksigeninės fotosintezės versija galėjo būti labai paprasta ir neefektyvi; kaip ir anksčiausios akys tik skyrė šviesą nuo tamsos, taip ir ankstyviausia fotosintezės galėjo būti labai neefektyvi ir lėta.

Žemėje bakterijos procesą tobulino daugiau nei milijardą metų, kol išsivystė cianobakterijos, ir dar du milijardai, kol augalai ir gyvūnai užkariavo sausumą. Tačiau tokia ankstyva deguonies gamyba gali reikšti, kad kitoje aplinkoje, tarkime, kitoje planetoje, perėjimas prie sudėtingesnės gyvybės galėjo būti daug spartesnis.

Molekulinių laikrodžių matavimas

Komanda atradimą atliko, sekdama pagrindinių fotosintezės baltymų, atsakingų už vandens skaidymą, „molekulinį laikrodį. Šis metodas padeda įvertinti baltymų evoliucijos aparatą, lyginant laiką tarp žinomų evoliucijos momentų, tokių kaip skirtingų cianobakterijų grupių ar sausumos augalų grupių atsiradimo, kuriuose yra tokių baltymų versijų, atsiradimo. Tokiu būdu suskaičiuotas evoliucijos tempas pratęsiamas praeitin, taip įvertinant, kuomet baltymas pirmą kartą išsivystė.

„Galėtume išvystyti fotosistemas, galinčias atlikti naujas žalias ir tvarias chemines reakcijas, naudojančias vien šviesos energiją.“ —

Dr. Tanai Cardona

Jie lygino šių fotosintetinančių baltymų evoliucijos spartą su kitų esminių gyvybės baltymų sparta, tarp kurių ir formuojančių energijos kaupimo molekules bei transliuojančias DNR sekas į RNR, kuri, manoma atsirado anksčiau už visos ląstelinės gyvybės Žemėje protėvį. Jie taip pat lygino tempą su įvykiais, kurie, kaip žinoma, įvyko vėliau, kuomet gyvybė jau buvo įvairesnė ir cianobakterijos jau buvo atsiradusios.

Fotosintezės baltymų raida buvo praktiškai identiška seniausių fermentų evoliucijai, siekiančiai seniausius laikus, kas rodo, kad jie evoliucionavo panašiai.

Pirmasis tyrimo autorius Thomas Oliver iš ICL gyvybės mokslų padalinio, sakė: „protėvinių fotosintetinančių baltymų sekas prognozavome, naudodami Protėvinių sekų atkūrimo techniką.

„Šios sekos suteikė informacijos apie tai, kaip protėvinė fotosistema II galėjo veikti ir mums pavyko parodyti, kad daugumos deguonies evoliucijai fotosistemoje II būtinų baltymų raidą galima atsekti iki ankstyviausių to fermento evoliucijos stadijų.“

Vadovavimas evoliucijai

Šių esminių fotosintezės baltymų evoliucijos žinojimas ne tik susijęs su gyvybės kitose planetose paieškomis, bet gali ir padėti rasti fotosintezės panaudojimo sintetinėje biologijoje strategijas.

Dr. Cardona, vadovaujantis tokiam projektui, kuris yra UKRI ateities lyderių draugijos dalis, sakė: „Dabar, kai geriau numanome, kaip vystėsi fotosintezės baltymai, prisitaikydami prie kintančio pasaulio, panaudodami „vadovaujamą evoliuciją“ galime išmokti pakeisti juos, gaminti naujiems chemikalams.

„Dabar galėtume išvystyti fotosistemas, galinčias atlikti naujas žalias ir tvarias chemines reakcijas, naudojančias vien šviesos energiją“

Imperial College London
scitechdaily.com

Nuoroda: „Time-resolved comparative molecular evolution of oxygenic photosynthesis“ by Thomas Oliver, Patricia Sánchez-Baracaldo, Anthony W. Larkum, A. William Rutherford and Tanai Cardona, 19 February 2021, BBA – Bioenegetics.
DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148400