Дослідники зі Страсбурга виявили, що змішування двох невеликих біомолекул, гліоксилату і пірувату, у воді, багатій солями заліза, створює реакційну мережу, що нагадує ядро біохімії життя. Це відкриття дає уявлення про те, як хімія на ранній Землі сприяла розвитку найдавнішого життя. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.
Вчені, які досліджують походження життя на Землі, довго намагалися пояснити, як біохімія життя зародилася понад 4 мільярди років тому. Біохімія організована навколо всього п'яти універсальних метаболічних попередників, побудованих з C, O і H - точно так само, як інтенсивний рух у великому мегаполісі організовано навколо декількох транзитних вузлів. Чому життя використовує певні молекули і хімічні реакції, які воно робить, серед незліченних альтернатив, є повною загадкою.
Група вчених на чолі з професором Джозефом Мораном у Страсбурзькому університеті провела останні кілька років, працюючи над походженням біологічного метаболізму.
«Ідея про те, що біологічний метаболізм мав тісно пов'язаного хімічного попередника, в якому використовувалися аналогічні проміжні продукти і перетворення, є привабливим варіантом», - говорить Джозеф Моран.
Нещодавно група відтворила суто хімічний еквівалент шляху AcCoA, набору реакцій, використовуваних мікробами для отримання ацетату (двох атомів вуглецю) і пірувата (трьох атомів вуглецю) з CO2. Будівельні суміші розміром більше трьох атомів вуглецю з будівельних блоків, виготовлених з CO2, були тим місцем, де прогрес застопорився.
Щоб здійснити такі подвиги, життя залежить від складних ферментів і хімічного енергоносія, АТФ. Але і ферменти, і АТФ являють собою складні структури, які не могли існувати на безжиттєвій Землі. Як тоді життя будувало свою біохімію перед ферментами і АТФ?
«Прорив стався з усвідомлення того, що хімічний метаболізм міг функціонувати трохи інакше, ніж сьогодні в житті, при збереженні загальної картини». Команда дослідників була натхненна почесною центральною роллю двовуглецевого метаболіту, гліоксилату, в моделі, опублікованій раніше теоретичним біологом Даніелем Сегре.
Інша підказка прийшла від хіміків-органіків Рама Крішнамурті і Грега Спрінгстіна, які повідомили, що піруват (три атоми вуглецю) і гліоксилат (два атоми вуглецю) легко реагують з утворенням зв'язків С-С у воді.
Каміла Муховська, автор справжнього дослідження, каже: «Ми змішали гліоксилат і піруватимуть у теплій, багатій залізному воді і помітили, що це створює реакційну мережу з більш ніж 20 біологічними інтермедіатами»
З плином часу мережа не тільки ускладнюється, але і перетворює проміжні з'єднання назад в CO2, як це робить життя. «Життєва хімічна система, отримана таким чином, концептуально нагадує функцію біологічного анаболізму і катаболізму - ферменти не потрібні, просто додайте залізо», - говорить Моран.
У рамках дослідження вчені перевірили, що станеться, якщо в систему буде введено джерело азоту і джерело електронів. «Коли ми додали в експеримент гідроксиламін і металеве залізо, реакційна мережа виробила чотири біологічні амінокислоти», - пояснює Сореджит Варма, співавтор дослідження.
«Цікаво, що в генетичному коді все ті ж чотири амінокислоти мають кодони, що починаються з букви G, що підтверджує ідею про те, що метаболізм і генетичний код могли виникати паралельно».
Нещодавно виявлена реакційна мережа має так багато спільного з відомими біологічними циклами, що команда вчених задається питанням, чи могли цикли Кребса і гліоксилату мати суто хімічне походження.
«Ми думаємо, що хімічний метаболізм міг створити попередників біологічних циклів таким чином, до появи АТФ і ферментів», - говорить Каміла Муховська. Дослідники зі Страсбурга тепер хочуть побачити, як мережа реакції може змінитися у відповідь на різні елементи і чи може вона привести до утворення молекул генетики.
