Исследователи из Страсбурга обнаружили, что смешивание двух небольших биомолекул, глиоксилата и пирувата, в воде, богатой солями железа, создает реакционную сеть, напоминающую ядро биохимии жизни. Это открытие дает представление о том, как химия на ранней Земле способствовала развитию самой древней жизни. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Ученые, исследующие происхождение жизни на Земле, долго пытались объяснить, как биохимия жизни зародилась более 4 миллиардов лет назад. Биохимия организована вокруг всего пяти универсальных метаболических предшественников, построенных из C, O и H — точно так же, как интенсивное движение в большом мегаполисе организовано вокруг нескольких транзитных узлов. Почему жизнь использует определенные молекулы и химические реакции, которые она делает, среди бесчисленных альтернатив, является полной загадкой.
Группа ученых во главе с профессором Джозефом Мораном в Страсбургском университете провела последние несколько лет, работая над происхождением биологического метаболизма.
«Идея о том, что биологический метаболизм имел тесно связанного химического предшественника, в котором использовались аналогичные промежуточные продукты и превращения, является привлекательным вариантом», — говорит Джозеф Моран.
Недавно группа воссоздала чисто химический эквивалент пути AcCoA, набора реакций, используемых микробами для получения ацетата (двух атомов углерода) и пирувата (трех атомов углерода) из CO2. Строительные смеси размером более трех атомов углерода из строительных блоков, изготовленных из CO2, были тем местом, где прогресс застопорился.
Чтобы совершить такие подвиги, жизнь зависит от сложных ферментов и химического энергоносителя, АТФ. Но и ферменты, и АТФ представляют собой сложные структуры, которые не могли существовать на безжизненной Земле. Как тогда жизнь строила свою биохимию перед ферментами и АТФ?
«Прорыв произошел из осознания того, что химический метаболизм мог функционировать немного иначе, чем сегодня в жизни, при сохранении общей картины». Команда исследователей была вдохновлена центральной ролью двухуглеродного метаболита, глиоксилата, в модели, опубликованной ранее теоретическим биологом Даниэлем Сегре.
Другая подсказка пришла от химиков-органиков Рама Кришнамурти и Грега Спрингстина, которые сообщили, что пируват (три атома углерода) и глиоксилат (два атома углерода) легко реагируют с образованием связей С-С в воде.
Камила Муховска, автор настоящего исследования, говорит: «Мы смешали глиоксилат и пируват в теплой, богатой железом воде и заметили, что это создает реакционную сеть с более чем 20 биологическими интермедиатами»
© University of Strasbourg
С течением времени сеть не только усложняется, но и превращает промежуточные соединения обратно в CO2, как это делает жизнь. «Жизненная химическая система, полученная таким образом, концептуально напоминает функцию биологического анаболизма и катаболизма — ферменты не нужны, просто добавьте железо», — говорит Моран.
В рамках исследования ученые проверили, что произойдет, если в систему будет введен источник азота и источник электронов. «Когда мы добавили в эксперимент гидроксиламин и металлическое железо, реакционная сеть произвела четыре биологические аминокислоты», — объясняет Сореджит Варма, соавтор исследования.
«Интересно, что в генетическом коде все те же четыре аминокислоты имеют кодоны, начинающиеся с буквы G, что подтверждает идею о том, что метаболизм и генетический код могли возникать параллельно».
Недавно обнаруженная реакционная сеть имеет так много общего с известными биологическими циклами, что команда ученых задается вопросом, могли ли циклы Кребса и глиоксилата иметь чисто химическое происхождение.
«Мы думаем, что химический метаболизм мог создать предшественников биологических циклов таким образом, до появления АТФ и ферментов», — говорит Камила Муховска. Исследователи из Страсбурга теперь хотят увидеть, как сеть реакции может измениться в ответ на различные элементы и может ли она привести к образованию молекул генетики.
Kamila B. Muchowska et al. Synthesis and breakdown of universal metabolic precursors promoted by iron, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1151-1