|
Миллиарды лет истории, отраженной в химии жизни
|
|
|
|
Происхождение жизни на Земле долгое время оставалось загадкой, которая ускользала от ученых. Ключевой вопрос заключается в том, какая часть истории жизни на Земле утрачена во времени. Довольно часто один вид "прекращает существование" с помощью биохимической реакции, и если это происходит у достаточного количества видов, то такие реакции могут быть фактически "забыты" жизнью на Земле. Но если история биохимии изобилует забытыми реакциями, можно ли как-то определить это? Этот вопрос вдохновил исследователей из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института и Калифорнийского технологического института (CalTech) в США. Они полагали, что забытая химия будет проявляться в виде разрывов на пути, который химия проходит 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 ассоциируются с поддержанием жизни. Но миллиарды лет назад ранняя жизнь использовала эти простые молекулы в качестве источника сырья. По мере развития жизни биохимические процессы постепенно превращали эти предшественники в соединения, которые встречаются и по сей день. Эти процессы представляют собой самые ранние метаболические пути. Чтобы смоделировать историю биохимии, исследователи ELSI — специально назначенный доцент Харрисон Б. Смит, специально назначенный доцент Лиам М. Лонго и доцент Шон Эрин Макглинн в сотрудничестве с научным сотрудником Джошуа Голдфордом из Калифорнийского технологического института — провели инвентаризацию всех известных биохимических реакций, чтобы понять, какие типы химии необходимы для жизни. способен выполнять.
|
|
|
Они обратились к базе данных Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, в которой каталогизировано более 12 000 биохимических реакций. Имея в своем распоряжении реакции, они начали моделировать поэтапное развитие метаболизма. Предыдущие попытки смоделировать эволюцию метаболизма таким образом неизменно заканчивались неудачей в получении наиболее распространенных и сложных молекул, используемых в современной жизни. Однако причина была не совсем ясна. Как и прежде, когда исследователи проверили свою модель, они обнаружили, что можно получить только несколько соединений. Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution. Один из способов обойти эту проблему - подтолкнуть застопорившуюся химию, вручную вводя современные соединения. Исследователи выбрали другой подход: они хотели определить, сколько реакций было пропущено. И их поиски привели их к одной из самых важных молекул во всей биохимии - аденозинтрифосфату (АТФ).
|
|
|
|
АТФ является энергетической валютой клетки, поскольку его можно использовать для запуска реакций, таких как построение белков, которые в противном случае не происходили бы в воде. Однако АТФ обладает уникальным свойством: для реакций, которые сами по себе образуют АТФ, требуется АТФ. Другими словами, если АТФ уже не присутствует, у современной жизни нет другого способа производить АТФ. Эта циклическая зависимость была причиной остановки модели. Как можно было бы устранить это "узкое место АТФ"? Как оказалось, химически активная часть АТФ удивительно похожа на неорганическое соединение полифосфат. Если позволить реакциям, генерирующим АТФ, использовать полифосфат вместо АТФ, изменив всего восемь реакций, можно было бы достичь почти всего современного основного обмена веществ. Затем исследователи могли бы оценить относительный возраст всех распространенных метаболитов и задать конкретные вопросы об истории метаболических путей.
|
|
|
|
Один из таких вопросов заключается в том, были ли биологические пути построены линейным образом, при котором одна реакция последовательно добавляется к другой, или же реакции этих путей возникли как мозаика, в которой реакции совершенно разных возрастов объединяются вместе, образуя нечто новое. Исследователи смогли количественно оценить это, обнаружив, что оба типа путей почти одинаково распространены во всех областях обмена веществ. Но возвращаясь к вопросу, который вдохновил нас на исследование, — сколько биохимических веществ теряется со временем? "Возможно, мы никогда не узнаем этого точно, но наше исследование дало важные доказательства: всего восемь новых реакций, все они напоминают обычные биохимические реакции, необходимы для того, чтобы соединить геохимию и биохимический анализ", - говорит Смит. "Это не доказывает, что область недостающей биохимии невелика, но это показывает, что даже исчезнувшие реакции могут быть заново открыты на основе подсказок, оставленных современной биохимией", - заключает Смит.
|
|
|
|
Источник
|
