Одной из главных загадок происхождения жизни является то, как фосфат стал важным строительным блоком генетического и метаболического механизма в клетках, учитывая его плохую доступность на ранней Земле. В исследовании, опубликованном 9 марта в журнале Cell, исследователи использовали подходы системной биологии для решения этой давней загадки, что убедительно, говорит старший автор исследования Даниэль Сегре (@dsegre) из Бостонского университета. «Ранний независимый от фосфатов метаболизм, способный производить несколько ключевых строительных блоков живых систем, в принципе жизнеспособен."
Фосфат необходим для всех живых систем и присутствует в значительной части известных биомолекул. Сахаро-фосфатный остов образует структурный каркас нуклеиновых кислот, включая ДНК и РНК. Более того, фосфат является важным компонентом аденозинтрифосфата (АТФ), который переносит химическую энергию внутри клеток, и соединения, называемого НАДН, которое играет несколько важных ролей в метаболизме. Но неясно, как фосфат мог взять на себя эту центральную роль на первичной Земле, учитывая его дефицит и плохую доступность.
В свете этой загадки некоторые предположили, что ранние метаболические пути не зависели от фосфатов. Считается, что во многих из этих сценариев сера и железо, обнаруженные на минеральных поверхностях, выполняли основные каталитические и энергетические функции до появления фосфатов. Один примечательный сценарий происхождения жизни предполагает, что роль АТФ первоначально взяли на себя серосодержащие соединения, называемые тиоэфирами, которые широко участвуют в метаболизме белков, углеводов и липидов. Несмотря на наличие железа и серы на ранней Земле, конкретные доказательства, подтверждающие эти сценарии, отсутствовали.
Чтобы проверить осуществимость «гипотезы мира железа и серы» и «сценария мира тиоэфира», Сегре и его команда использовали подходы вычислительной системной биологии, изначально разработанные для крупномасштабного анализа сложных метаболических сетей. Исследователи использовали большую базу данных, чтобы собрать полный набор всех известных биохимических реакций. Изучив этот так называемый «метаболизм на уровне биосферы», исследователи определили набор из восьми соединений, не содержащих фосфатов, которые, как считается, были доступны в пребиотической среде. Затем они использовали алгоритм, имитирующий появление примитивных метаболических сетей, путем компиляции всех возможных реакций, которые могли иметь место в присутствии этих восьми соединений, включая формиат, ацетат, сероводород, аммоний, углекислый газ, воду, бикарбонат и газообразный азот.
Этот анализ показал, что несколько простых пребиотических соединений могут способствовать возникновению богатой, независимой от фосфатов метаболической сети. Эта основная сеть, состоящая из 315 реакций и 260 метаболитов, была способна поддерживать биосинтез широкой категории ключевых биомолекул, таких как аминокислоты и карбоновые кислоты. Примечательно, что сеть была обогащена ферментами, содержащими железо-серные кластеры, что подтверждает идею о том, что современная биохимия возникла из геохимии минералов. Более того, тиоэфиры, а не фосфаты, могли позволить этому основному метаболизму преодолеть энергетические узкие места и расшириться в физиологически реалистичных условиях.
«До нашего исследования другие исследователи предложили раннюю биохимию на основе серы с намеками на то, что фосфаты, возможно, не были необходимы до более позднего времени», - говорит Сегре. «Чего до сих пор не хватало, так это гипотезы мира РНК», которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всей современной жизни на Земле. Вместо этого результаты подтверждают гипотезу «прежде всего метаболизма», которая утверждает, что самоподдерживающаяся бесфосфатная метаболическая сеть предшествовала появлению нуклеиновых кислот. Другими словами, нуклеиновые кислоты могли быть результатом ранних эволюционных процессов, а не предпосылкой для них.
«Доказательства того, что ранний метаболизм мог функционировать без фосфата, указывают на то, что фосфат, возможно, не был важным компонентом для начала клеточной жизни», - говорит первый автор Джошуа Голдфорд из Бостонского университета. «Эта протометаболическая система нуждалась в источнике энергии и могла возникнуть либо на поверхности Земли, используя солнечную энергию в качестве основной движущей силы, либо в глубинах океанов вблизи гидротермальных жерл, где геохимические градиенты могли привести к возникновению первых жизненные процессы."
В будущих исследованиях исследователи продолжат применять подходы системной биологии для изучения происхождения жизни.«Я надеюсь, что эти результаты побудят к дальнейшим исследованиям ландшафта возможных исторических путей метаболизма, а также к конкретным экспериментам для проверки возможности бесфосфатной биохимии на основе серы», - говорит Сегре. «Идея анализа метаболизма как явления на уровне экосистемы или даже планетарного, а не специфичного для организма, также может иметь значение для нашего понимания микробных сообществ. Кроме того, будет интересно вернуться к вопросу о том, как наследование и эволюция могло работать до появления биополимеров».