Набор биохимических процессов, имеющих решающее значение для клеточной жизни на Земле, мог возникнуть в результате химических реакций, происходивших на ранней Земле четыре миллиарда лет назад, считает группа ученых из Института Фрэнсиса Крика и Кембриджского университета.
Исследователи продемонстрировали в лаборатории сеть химических реакций, которые имитируют важный цикл Кребса, присутствующий сегодня в живых организмах. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Ecology and Evolution, говорится, что оно может объяснить важный шаг в развитии жизни на Земле.
Жизнь зародилась четыре миллиарда лет назад на суровой вулканической Земле, лишенной кислорода, но обладавшей большими океанами, богатыми ионами металлов. Был большой интерес к тому, как первые формы жизни развивались в этих условиях и как биохимические процессы, необходимые для поддержания жизни, могли образоваться из ничего.
Обмен веществ универсален для жизни. Это набор процессов, посредством которых мы получаем энергию из пищи и производим необходимые нам биомолекулы в клетках нашего тела. Биохимические пути, лежащие в основе этих процессов, очень похожи у всех организмов и видов.
Одним из центральных метаболических путей, изучаемых каждым студентом-биологом уровня A, является цикл Кребса. Но как впервые возник этот необходимый набор химических реакций, каждый шаг которых катализируется ферментом? Каждый шаг в цикле сам по себе недостаточен. Жизни нужна последовательность этих реакций, и она была бы нужна до того, как появились биологические ферменты: аминокислоты, молекулярные компоненты ферментов, производятся из продуктов цикла Кребса.
Исследовательская группа из Института Фрэнсиса Крика и Кембриджского университета говорит, что их демонстрация дает ответ. Они показали бесферментный метаболический путь, который отражает цикл Кребса. Он вызывается частицами, называемыми сульфатными радикалами, в условиях, аналогичных тем, что были на Земле четыре миллиарда лет назад.
Старший автор доктор Маркус Ралсер из Института Фрэнсиса Крика и Кембриджского университета объясняет: «Этот неферментативный предшественник цикла Кребса, который, как мы продемонстрировали, формируется спонтанно, является биологически разумным и эффективным. Он мог бы помочь зажечь жизнь. четыре миллиарда лет назад."
Учёные использовали простые соединения углерода, которые участвуют в различных точках цикла Кребса (такие соединения недавно были обнаружены в метеорите учёными НАСА), и смешали их с железо- и серосодержащими химическими веществами, которые будут обнаружены в отложения в ранних океанах.
Они использовали стратегию систематического скрининга около 4 850 различных экспериментов с использованием методов масс-спектрометрии и искали реакции, подобные наблюдаемым в цикле Кребса.
В подавляющем большинстве случаев смеси были нереакционноспособными. Однако в присутствии соединения пероксидисульфата исследователи обнаружили 24 химические реакции. Они напоминали схему реакций, наблюдаемых в цикле Кребса в живых организмах.
"Мы взяли компоненты, характерные для отложений, существовавших на Земле миллиарды лет назад." - говорит доктор Ральсер. - Поскольку соли, которые должны были присутствовать в отложениях, не вызывали многих реакций, мы в основном сосредоточились на ионах металлов и сульфатах. Известно, что они также важны для цикла Кребса современной клетки.
"Мы провели огромное исследование, включающее тысячи измерений, а затем систематически проработали их. В конце мы обнаружили условие, которое, возможно, привело к возникновению цикла Кребса. Он основан на сульфатных радикалах, и раньше никто не думал о них.."
Альтернативная гипотеза происхождения жизни предполагает, что РНК - молекула, похожая на ДНК, которая может хранить генетическую информацию, но более преходяща и более реактивна - может объяснить первые шаги на пути к жизни. Это известно как гипотеза мира РНК.
Д-р Ральсер говорит: «Существуют огромные научные дебаты о том, были ли первые шаги к жизни обусловлены метаболизмом или генетикой».
Он утверждает, что наличие молекул РНК не может легко объяснить происхождение метаболизма, поскольку РНК состоит из продуктов метаболизма. И что результаты его группы подтверждают теорию о том, что химия окружающей среды позволила начать метаболизм.
Люди годами пытались работать над неферментативным циклом Кребса, но большинство из них думали об этом теоретически или философски. Цикл Кребса существует, и мы его обнаружили», - заключает доктор Ральсер.