История эволюции не раз становилась свидетелем вечных споров о том, что было первым – яйцо или курица, — однако одна из самых интересных загадок звучит следующим образом: существовала ли жизнь до появления нуклеиновых кислот? И в рамках нового исследования ученые предоставили доказательство того, что примитивная биохимия была способна появляться и развиваться без фосфатов – одного из важнейших и ключевых структурных компонентов нуклеиновых кислот, входящих в состав нашей генетической химии, — что добавляет веса предположениям, согласно которым еще до появления жизни уже мог существовать метаболизм.
Ученые из Массачусетского технологического института и Бостонского университета выявили некоторое число альтернативных метаболических путей, при которых не требовалось бы участие фосфатов. Открытие способно заполнить пробелы в нашем понимании того, как сложная органическая химия породила жизнь на нашей планете.
То, что мы привыкли сегодня называть жизнью, во многом основывается на не совсем идеальной реплицирующей химии, где требуется наличие некоего шаблона, который можно скопировать, а также некоего объема энергии, которого хватит для физического преобразования простых химических веществ на основе углерода в более сложные формы. И вопрос здесь в том, что было первым: химический код, который мог бы развиться в более сложную форму, или более сложные пути, которые могли бы использовать энергию для превращения простых химических веществ в более сложные органические соединения.
Согласно так называемой гипотезе РНК-мира, свободно плавающие ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот (РНК), выполнявшие функции хранения генетической информации и являвшиеся своего рода теми самыми шаблонами, способствовали ускорению процессов химических реакций, которые сейчас можно охарактеризовать в качестве процесса появления жизни. Вопрос в этом концепте вызывает то, что молекулы РНК не смогли бы этого сделать без источника энергии, необходимого для последовательности химических реакций, которые, в свою очередь, можно было бы рассматривать в качестве ранней формы метаболизма (обмена веществ). Кроме того, в молекулах РНК содержатся фосфаты – вещества, плотно вплетающиеся в окружающую среду и, следовательно, сложно поддающиеся встраиванию в органические соединения.
Согласно другой гипотезе, самые ранние формы метаболической химии, не скованные клеточными мембранами, изначально получили возможность поглощения энергии из окружающей среды – в форме тепла или света – и передачи ее от одной химической реакции к другой внутри органического супа (эдакого первичного бульона, в котором зародилась жизнь). В конечном итоге этот примитивный обмен веществ (метаболизм) объединился с молекулами РНК и находился в таком состоянии до тех пор, пока не нашел убежища внутри отдельных жировых пузырей – молекул, которые сейчас можно было бы рассматривать в качестве первых клеток.
И все же энергетический обмен в современных организмах основан вокруг таких соединений, как аденозинтрифосфат (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), то есть опять же связан с фосфатами.
Альтернативные метаболические пути, которые были определены учеными в рамках нового исследования, основаны на молекулах, в основе которых лежит сера — вещество, присутствовавшее в изобилии в земных океанах несколько миллиардов лет назад.
«Важность этого исследования заключается в том, что теперь в рамках новых попыток узнать источник возникновения жизни должна будет приниматься во внимание вероятность ее появления без участия фосфатов, которые сейчас рассматриваются одним из важнейших ее составляющих, но которых могло и не быть, когда начались первые химические реакции, приведшие к ее появлению», — говорит исследователь Даниэль Серже из Бостонского университета.
Идея о том, что центральную роль в метаболическом процессе могла когда-то играть сера – далеко не нова. Еще в начале XX века немецкий химик Вахтершаузер выразил предположение, что соединения сульфида железа и сульфида никеля могут играть роль катализатора процесса фиксации углерода вокруг глубоких океанических вулканических потоков и действовать в качестве механизма энергетического обмена между, как он их называл, «первородными организмами». Однако отсутствие убедительных доказательств, объединяющих между собой разнообразие химических реакций, вовлеченных в эту «сульфидно-железную гипотезу», не позволило подтвердить данное предположение.
«То, что оставалось всегда упущенным, было нехваткой убедительных доказательств, основанных на данных о том, что эти ранние химические процессы могли представлять собой связанную и относительно сложную примитивную метаболическую сеть, а не просто являлись рассеянными реакциями», — комментирует Серже.
Серже и его команда применили метод вычислительной системной биологии – теоретического подхода, при котором для изучения разнообразных путей биохимических реакций используются математические модели – и определили набор из восьми не содержащих фосфаты соединений, которые могли иметься в изобилии в древних океанах нашей планеты. Затем они применили алгоритм для симуляции примитивного энергетического обмена, включающий сульфиды железа, а также сульфидо-содержащие соединения – тиоэфиры – и стали следить за тем, какие различные химические реакции могут с ними происходить.
В итоге было обнаружено, что результатом основной сети из 315 реакций с участием 260 метаболитов могло бы стать производство самых разных сложных органических соединений, необходимых для появления жизни. В список этих соединений вошли также аминокислоты и карбоновые кислоты.
Так как ранняя биоорганическая химия не смогла оставить достаточно доказательств своего существования в виде древних отложений, приходится использовать подобные математические модели, способные предсказать то, что могло происходить многие миллиарды лет назад. И хотя подобные данные вряд ли можно использовать в качестве доказательств безфосфатного развития жизни, они могут стать одним из доказательств возможности того, что жизнь появилась из химических соединений, на которые совсем не полагается большинство современных организмов. Кроме того, использование подобных данных может выходить далеко за рамки обычных обсуждений вопросов о том, как могла сформироваться жизнь на нашей планете.
«Анализ метаболизма с точки зрения экосистемного уровня или даже в качестве планетарного феномена, а не в качестве индивидуальной особенности конкретных организмов, может носить практическое значение и для нашего понимания микробного сообщества», — говорит Серже.
Результаты исследований группы ученых из Массачусетского технологического института и Бостонского университета была опубликована в одном из последних номеров научного журнала Cell.
