8 молекулярных ключей к жизни: разгадана тайна метаболизма первых живых существ

Происхождение жизни на нашей планете на протяжении долгого времени оставалось одной из величайших загадок, над разгадкой которой бились ученые. Один из ключевых вопросов, вызывавших наибольшие споры, заключался в том, какая часть истории зарождения жизни на Земле безвозвратно утрачена с течением эпох. Нередко целые виды могли исчезнуть в результате сложных биохимических реакций, и если подобное происходило с достаточно большим количеством видов, то сведения об этих реакциях могли быть полностью стерты из летописи эволюции.

Исследователи из Института наук о жизни Земли (ELSI) при Токийском технологическом институте и Калифорнийского технологического института (CalTech) решили выяснить, как можно обнаружить забытые биохимические реакции. Они предположили, что такая забытая химия могла бы проявляться как разрывы на пути от простых геохимических молекул к сложным биологическим.

Ранняя Земля была богата простыми соединениями, такими как сероводород, аммиак и углекислый газ, которые не обычно ассоциируются с поддержанием жизни. Однако миллиарды лет назад ранняя жизнь использовала эти простые молекулы в качестве сырья. С развитием жизни биохимические процессы постепенно преобразовывали эти предшественники в соединения, которые существуют до сих пор. Эти процессы представляют собой самые ранние метаболические пути.

Для моделирования истории биохимии исследователи из ELSI, среди которых Специально назначенные доценты Харрисон Б. Смит и Лиам М. Лонго, а также доцент Шон Эрин Макглинн, совместно с научным сотрудником Джошуа Голдфордом из CalTech, собрали инвентарь всех известных биохимических реакций, чтобы понять, какие типы химии способна выполнять жизнь.

Они обратились к базе данных Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, где каталогизировано более 12 000 биохимических реакций. С этими данными они начали моделировать поэтапное развитие метаболизма.

Предыдущие попытки моделирования эволюции метаболизма не приводили к созданию самых распространенных сложных молекул, используемых современной жизнью. Причина этого оставалась неясной. В новом исследовании , опубликованном в журнале Nature Ecology & Evolution, ученые столкнулись с той же проблемой: модель могла производить только несколько соединений.

Для решения этой проблемы исследователи решили выяснить, сколько реакций не хватает. Их поиск привел их к одной из важнейших молекул в биохимии — аденозинтрифосфату (АТФ).

АТФ является энергетической валютой клетки, так как используется для проведения реакций, таких как синтез белков, которые иначе не происходили бы в воде. Однако для образования самого АТФ требуется АТФ. Эта циклическая зависимость остановила модель.

Как преодолеть этот "узкий момент" с АТФ? Оказалось, что реактивная часть АТФ весьма похожа на неорганическое соединение полифосфат. Позволив реакциям генерации АТФ использовать полифосфат вместо АТФ и модифицировав всего восемь реакций, ученые смогли смоделировать почти весь современный метаболизм. Они смогли оценить относительный возраст всех распространенных метаболитов и исследовать историю метаболических путей.

Полифосфат — это неорганическое соединение, представляющее собой цепь из нескольких фосфатных групп, связанных друг с другом. Полифосфаты могут иметь разную длину цепи, начиная от двух и заканчивая сотнями фосфатных звеньев. Они играют важную роль в различных биологических процессах, особенно в метаболизме и энергетическом обмене.

Один из вопросов, который возник в ходе исследования, касался того, строились ли биологические пути линейно — когда одна реакция добавляется за другой, или же пути формировались мозаично, соединяя реакции разных возрастов. Ученые выяснили, что оба типа путей одинаково распространены.

Возвращаясь к первоначальному вопросу — сколько биохимии утрачено с течением времени? "Мы никогда не узнаем точно, но наше исследование показало важный факт: всего восемь новых реакций, напоминающих общие биохимические реакции, необходимы для связывания геохимии и биохимии," — сказал Смит. "Это не доказывает, что утраченная биохимия мала, но показывает, что даже исчезнувшие реакции можно восстановить по оставленным следам в современной биохимии," — заключил он.