Химики строят модель эволюционной истории метаболизма
Происхождение жизни на Земле до сих пор остается загадкой. Ключевой вопрос заключается в том, какая часть истории жизни на Земле потеряна во времени. Для одного вида довольно часто происходит «постепенный отказ» с помощью биохимической реакции, и если это произойдет с достаточным количеством видов, такие реакции могут быть фактически «забыты» жизнью на Земле.
Но если история биохимии полна забытых реакций, можно ли это узнать? Этот вопрос вдохновил исследователей из Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте и ученых Калифорнийского технологического института (CalTech) в США. Они полагали, что забытые реакции появятся как «разрывы» на пути, по которому химия идет от простых геохимических молекул к сложным биологическим молекулам.
Ранняя Земля была богата простыми соединениями, такими как сероводород, аммиак и углекислый газ — молекулами, которые обычно не связаны с поддержанием жизни. Но миллиарды лет назад ранняя жизнь полагалась на эти простые молекулы как на источник сырья. По мере развития жизни биохимические процессы постепенно превращали этих предшественников в соединения, которые встречаются и сегодня. Эти процессы представляют собой самые ранние метаболические пути.
Чтобы смоделировать историю биохимии, исследователям потребовался перечень всех известных биохимических реакций, чтобы понять, какие химические процессы способна осуществлять жизнь.
Они обратились к базе данных Киотской энциклопедии генов и геномов, в которой каталогизировано более 12 000 биохимических реакций. Затем начали моделировать ступенчатое развитие метаболизма.
Предыдущие попытки смоделировать таким образом эволюцию метаболизма неизменно терпели неудачу в создании наиболее распространенных и сложных молекул, используемых в современной жизни. Однако причина была не совсем ясна. Как и раньше, когда исследователи запустили свою модель, они обнаружили, что можно получить лишь несколько соединений.
Один из способов обойти эту проблему — подтолкнуть застопорившуюся химию, вручную добавляя современные соединения. Исследователи выбрали другой подход: они хотели определить, сколько реакций было пропущено. Поиски привели их обратно к одной из самых важных молекул во всей биохимии: аденозинтрифосфату (АТФ).
АТФ — это энергетическая «валюта» клетки, поскольку ее можно использовать для запуска реакций (например, построения белков), которые в противном случае не происходили бы в воде. Однако АТФ обладает уникальным свойством: реакции, в результате которых образуется АТФ, сами требуют АТФ. Другими словами, если АТФ уже не присутствует, нет другого способа производить АТФ. Эта циклическая зависимость была причиной остановки модели.
Как можно решить это «узкое место» АТФ? Как оказалось, реактивная часть АТФ удивительно похожа на неорганическое соединение полифосфат. Позволив реакциям, генерирующим АТФ, использовать полифосфат вместо АТФ (модифицировав всего восемь реакций), можно достичь почти всего современного основного метаболизма. Затем исследователи смогли оценить относительный возраст всех распространенных метаболитов и задать острые вопросы об истории метаболических путей.
Один из таких вопросов заключается в том, были ли биологические пути построены линейным образом, когда одна реакция за другой добавляется последовательно, или же реакции путей складывались в мозаику, в которой реакции совершенно разного возраста соединяются вместе, чтобы сформировать что-то новое. Ученые смогли оценить это количественно, обнаружив, что оба типа путей почти одинаково распространены во всех процессах метаболизма.
Но возвращаясь к вопросу, который вдохновил исследование: сколько биохимии теряется со временем? «Возможно, мы никогда не узнаем точно, но наше исследование дало важные доказательства: только восемь новых реакций, напоминающих обычные биохимические реакции, необходимы, чтобы соединить геохимию и биохимию», — говорят ученые.
«Это не доказывает, что пространство недостающей биохимии невелико, и показывает, что даже исчезнувшие реакции могут быть заново открыты по подсказкам, оставшимся в современной биохимии».
Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.