Biochemická "fosílie" ukazuje, jak se může život bez fosfátu vyskytnout

Seminář 18.1.2010 - Biochemická laboratoř - třetí skupina (Červenec 2019).

Anonim

Jedním z hlavních tajemství původu života je to, jak se fosfát stal základním stavebním blokem genetických a metabolických mechanizmů v buňkách, vzhledem k její špatné dostupnosti na časné Zemi. Ve studii, která byla publikována 9. března v časopise Cell, výzkumníci využili systémové biologické přístupy k řešení tohoto dlouhotrvajícího hlavolamu a poskytli přesvědčivé důkazy založené na datech, že primitivní formy života se nemusí spoléhat na fosfát. Místo toho několik jednoduchých, bohatých molekul mohlo podpořit vznik metabolismu bez fosfátů založeného na síře, který se rozšířil tak, aby vytvářel bohatou síť biochemických reakcí schopných podpořit syntézu široké kategorie klíčových biomolekul.

"Význam této práce spočívá v tom, že budoucí úsilí o pochopení původu života by mělo brát v úvahu konkrétní možnost, že procesy na bázi fosfátů, které jsou dnes zásadní, nemusí být kolem, když se začaly objevovat první životní procesy, " říká starší autor studie Daniel Segrè z Bostonské univerzity. "Včasný metabolismus nezávislý na fosfátu, schopný produkovat několik klíčových stavebních prvků živých systémů, je v zásadě životaschopný."

Fosfát je nezbytný pro všechny živé systémy a je přítomen ve velké části známých biomolekul. Cukrová fosfátová kostra tvoří strukturní rámec nukleových kyselin, včetně DNA a RNA. Navíc fosfát je kritickou složkou adenosintrifosfátu (ATP), který transportuje chemickou energii uvnitř buněk, a sloučeninu nazvanou NADH, která má několik podstatných rolí v metabolismu. Není však jasné, jak by fosfát mohl převzít tyto centrální role na primární Zemi vzhledem k jejímu nedostatku a špatné dostupnosti.

Ve světle této hádanky někteří navrhli, že počáteční metabolické cesty se nespoléhají na fosfát. V mnoha z těchto scénářů se předpokládá, že síra a železo nalezené na minerálních površích splňují hlavní katalytické a energetické funkce před vznikem fosfátu. Jeden pozoruhodný scénář původu života naznačuje, že úloha ATP byla původně předpokládána sloučeninami obsahujícími síru nazývanými thioestery, které jsou široce zapojeny do metabolismu bílkovin, sacharidů a lipidů. Navzdory dostupnosti železa a síry na rané Zemi chyběly konkrétní důkazy podporující tyto scénáře.

Pro testování proveditelnosti hypotézy "železo-síra ve světě" a "světového scénáře thioesteru" Segrè a jeho tým používali přístupy biologických výpočetních systémů původně vyvinuté pro rozsáhlé analýzy komplexních metabolických sítí. Výzkumníci použili rozsáhlou databázi pro sestavení kompletního souboru všech známých biochemických reakcí. Po prozkoumání takzvaného "metabolismu na úrovni biosféry" výzkumníci identifikovali soubor osmi sloučenin bez fosfátů, o kterých se předpokládalo, že jsou k dispozici v prebiotickém prostředí. Potom použili algoritmus, který simuloval vznik primitivních metabolických sítí sestavováním všech možných reakcí, které by mohly nastat v přítomnosti těchto osmi sloučenin, mezi které patří formát, acetát, sirovodík, amonium, oxid uhličitý, voda, hydrogenuhličitan a plynný dusík.

Tato analýza ukázala, že několik jednoduchých prebiotických sloučenin by mohlo podpořit vznik bohaté, metabolické sítě nezávislé na fosfátů. Tato jádrová síť, sestávající z 315 reakcí a 260 metabolitů, byla schopna podporovat biosyntézu široké kategorie klíčových biomolekul, jako jsou aminokyseliny a karboxylové kyseliny. Zejména síť byla obohacena o enzymy obsahující železo-sírové klastry, čímž se podpořila myšlenka, že moderní biochémie se objevila z minerální geochemie. Navíc thioestery spíše než fosfáty by mohly umožnit tento jádrový metabolismus překonat energetické překážky a rozšířit se za fyziologicky realistických podmínek.

"Před naší studií navrhli jiní vědci časnou biochemii na bázi síry s náznaky, že fosfát nemusí být nutný až později, " říká Segrè. "To, co dosud chybělo, bylo datově řízené důkazy, že tyto časné procesy, spíše než rozptýlené reakce, by mohly představovat vysoce propojenou a relativně bohatou primitivní metabolickou síť."

Ačkoli tyto nepeteriální důkazy konečně neprokazují, že život začínal bez fosfátu, poskytuje přesvědčivou podporu hypotéze železa a síry ze světa a thioesterového světa. Současně tato studie zpochybňuje "světovou hypotézu RNA", která navrhuje, aby se molekuly RNA, které se samy replikují, staly předchůdky celého současného života na Zemi. Namísto toho výsledky podporují "první hypotézu metabolismu", která předpokládá, že před vlastní tvorbou nukleových kyselin předchází metabolická síť bez fosfátů. Jinými slovy, nukleové kyseliny by mohly být výsledkem časných evolučních procesů spíše než nezbytným předpokladem pro ně.

"Důkaz, že časný metabolismus mohl fungovat bez fosfátu, naznačuje, že fosfát nemusí být základní složkou pro vznik buněčného života, " říká první autor Joshua Goldford z Bostonské univerzity. "Tento proto-metabolický systém by vyžadoval zdroj energie a mohl se objevit buď na zemském povrchu, sluneční energií jako hlavní hnací síla nebo v hloubce oceánů v blízkosti hydrotermálních větracích otvorů, kde by geochemické gradienty mohly řídit první životních procesů. "

V budoucích studiích budou výzkumníci i nadále uplatňovat systémy biologických přístupů ke studiu původu života. "Doufám, že tyto poznatky budou motivovat další studie krajiny o možných historických cestách metabolismu, stejně jako specifické experimenty pro testování proveditelnosti základní biochemie na bázi síry založené na síře, " říká Segrè. "Myšlenka analyzovat metabolismus jako ekosystémový nebo dokonce planetární fenomén, spíše než organismus specifický, může také mít důsledky pro naše porozumění mikrobiálním společenstvím. Navíc bude zajímavé znovu přehodnotit otázku, jak dědičnost a evoluce mohl fungovat ještě před vznikem biopolymerů. "

menu
menu