Бактерії та археї могли незалежно навчитися жити без «допомоги» геологічного середовища
Нове дослідження ранньої еволюції клітин пропонує незвичний погляд на один із найдавніших етапів історії життя. Вчені проаналізували 420 базових хімічних реакцій, за допомогою яких клітини створюють амінокислоти, компоненти РНК, вітаміни та інші необхідні речовини. Результат свідчить, що перехід до повністю самостійного клітинного метаболізму міг відбутися окремо у двох найдавніших гілках життя — бактерій та архей.
Йдеться не про два незалежні виникнення генетичного коду. Навпаки, бактерії та археї мають спільного далекого предка, якого називають LUCA — останнім універсальним спільним предком усіх сучасних клітин. Проте нова реконструкція показує, що цей предок, імовірно, ще не мав повного набору ферментів, необхідних для автономного існування. Частину реакцій, без яких сьогодні не обходиться жива клітина, могли забезпечувати метали та мінерали навколишнього середовища.
Коли геологія виконувала роботу ферментів
Команда порівняла геноми, структури білків і самі хімічні реакції, які становлять основу метаболізму. Особлива увага була приділена сполукам, доступним на ранній Землі: водню, вуглекислому газу та аміаку. З них за певних умов можна послідовно будувати складніші молекули. Дослідники встановили, що приблизно для половини розглянутих реакцій у LUCA могли вже існувати ферменти, тоді як іншу частину здатні були каталізувати неорганічні компоненти середовища.
У гідротермальних системах природно трапляються метали, здатні прискорювати реакції, які в сучасних організмах виконують спеціалізовані білки. Тому найдавніший метаболізм міг бути своєрідним гібридом біології та геохімії: клітинні структури вже використовували генетичну інформацію та частину ферментів, але залишалися залежними від реакцій, які забезпечувала мінеральна «лабораторія» навколо них.
Дослідникам вдалося виділити чотири умовні етапи розвитку каталізу: реакції, що покладалися переважно на метали; змішану систему металів і ферментів у спільного предка; а потім дві окремі траєкторії — у предків бактерій та у предків архей. Саме на цих двох гілках почали з'являтися нові ферменти, які поступово замінювали зовнішні неорганічні каталізатори.
Одна задача — різні біологічні рішення
Особливо показовим стало те, що бактерії й археї в низці випадків використовують структурно різні ферменти для виконання однакової життєво необхідної реакції. Це схоже на дві незалежні інженерні команди, які отримали ту саму задачу, але сконструювали різні механізми. Саме така паралельна еволюція могла дозволити обом лініям відокремитися від специфічних умов гідротермального середовища й освоювати нові місця існування.
Окреме питання — енергія. Сучасні клітини широко використовують АТФ, але синтез цієї молекули сам потребує складних ферментних систем. Експерименти показали, що за умов, близьких до геохімії гідротермальних джерел, деякі реакції фосфорилювання можуть відбуватися за участю фосфіту та металевих каталізаторів. Це дає можливу відповідь на те, як ранні метаболічні мережі могли отримувати енергію до появи сучасних біохімічних механізмів.
Таким чином, нова робота не скасовує спільне походження життя, а уточнює межу між «протожиттям», залежним від геологічного середовища, і вільноживучою клітиною. Генетична спадщина могла бути спільною, тоді як повна метаболічна автономність формувалася двома шляхами. Це робить історію ранньої Землі складнішою, але водночас пояснює фундаментальні відмінності між двома найдавнішими доменами клітинного життя.
