Studija o poreklu života: bakterije i arheje odvojeno
Analiza 420 metaboličkih reakcija pokazuje da poslednji zajednički predak svih ćelija nije imao enzime za polovinu njih. Autori zaključuju da su bakterije i arheje nezavisno postale slobodne ćelije.
Međunarodni tim koji predvodi Univerzitet Hajnrih Hajne u Diseldorfu objavio je 5. avgusta u časopisu Science Advances rad o poreklu života u kome stoji da slobodno živuće ćelije nisu nastale jednom, nego dva puta. Univerzitet je saopštenje o tom radu pustio 11. avgusta. Prva autorka je Natalija Mrnjavac, glavni autor je biolog Vilijam Martin, a zaključak se odnosi na period od pre oko četiri milijarde godina: bakterijska i arhejska loza prešle su u slobodno živuće stanje nezavisno jedna od druge, tvrde autori.
To ide nasuprot slici koja stoji u udžbenicima, po kojoj sve živo potiče od jednog slobodno živućeg pretka. Biolozi žive oblike dele na eukariote, ćelije sa jedrom, i na starije loze bez jedra, prokariote. Prokarioti obuhvataju dve prvobitne loze, bakterije i arheje, a mnogi od njih i danas naseljavaju hidrotermalne izvore na dnu okeana, mesto koje pojedine teorije uzimaju kao kolevku života. Rad iz Diseldorfa tiče se upravo te tačke, prelaza iz hemije u ćeliju.
Pola metabolizma bez enzima
Tim je krenuo drugim putem od dosadašnjih istraživanja rane evolucije. Umesto pojedinačnih gena, uzeo je ceo skup od 420 hemijskih reakcija kojima ćelije od jedinjenja dostupnih na mladoj Zemlji, vodonika, amonijaka i ugljen-dioksida, prave sastojke života: aminokiseline, baze ribonukleinske kiseline i vitamine. Taj skup reakcija naziva se metabolizam i, kako navode autori, očuvan je jednako univerzalno kao i genetski kod. Uporedo su analizirani genomi, strukture proteina i same reakcije.
Rezultat je bio suprotan očekivanju.
“Iznenađenje je to što enzimi koji katalizuju te reakcije nisu očuvani preko evolutivne granice koja razdvaja bakterije i arheje. Otkrili smo da je poslednji univerzalni predak svih ćelija imao enzime za samo oko polovinu reakcija metabolizma. Drugu polovinu katalizovali su metali u sredini u kojoj je taj predak nastao.”
Tako je Martin, glavni autor rada, u saopštenju univerziteta opisao ključni nalaz. Drugim rečima, zajednički predak nije bio zaokružena ćelija koja sve radi sama, nego sistem koji je pola posla prepuštao okolini. Metale u toj ulozi opisao je i Harun Tujsuz, neorganski hemičar sa Maks Plank instituta za istraživanje uglja i španskog instituta za materijale IMDEA: “Metali koji se prirodno javljaju u hidrotermalnim izvorima mogu da zamene iznenađujuće veliki broj enzima u metabolizmu.”
Iz toga je tim rekonstruisao četiri faze rane katalize:
- faza u kojoj kataliza ide isključivo preko metala
- mešovita faza metala i enzima, u poslednjem univerzalnom pretku
- razdvajanje ka precima bakterija, uz nastanak novih enzima
- razdvajanje ka precima arheja, takođe uz nove enzime
U te dve poslednje faze novi enzimi su preuzimali posao od neorganskih katalizatora iz okoline. Pošto su se pojavljivali odvojeno, autori u tome vide osnov za nezavisan izlazak dve loze u samostalan život. “Videli bismo kako se pojavljuju dve veoma različite vrste ćelija, pionirske bakterije i pionirske arheje, koje prave svoje prve pokušaje života izvan granica hidrotermalnog izvora”, opisala je Mrnjavac šta bi se videlo kada bi se moglo vratiti četiri milijarde godina unazad.
Odakle je dolazila energija pre adenozin-trifosfata?
Današnji metabolizam energiju dobija uglavnom iz adenozin-trifosfata, složenog molekula koji prave enzimi. Takvog molekula nije moglo biti na dnu okeana pre nego što je nastala prva ćelija, pa je pitanje pogona bilo otvoreno. Odgovor koji tim nudi dolazi iz laboratorije, a ne iz genoma.
“Kada fosfit, oblik fosfora koji se prirodno javlja u hidrotermalnim izvorima, pustimo da reaguje sa organskim jedinjenjima, preko noći u vodi dobijamo metaboličke reakcije fosforilacije. Fosfit i paladijum zamenjuju adenozin-trifosfat i enzime, to je neverovatno i čini ranu evoluciju mnogo lakšom za razumevanje.”
To je u saopštenju rekla Manon Šliker iz diseldorfskog tima. Paladijum, metal koji hemičari kao katalizator koriste vek unazad, među metalima je koji se prirodno javljaju u hidrotermalnim izvorima.
Mreža od 420 reakcija u kojoj mnoga jedinjenja učestvuju u više njih matematički je težak zadatak, pa je deo posla otišao na metod za ređanje reakcija od najjednostavnije ka najsloženijoj. Majk Stil sa Univerziteta Kenterberi na Novom Zelandu objasnio je odakle se krenulo: “Prvo pitanje je da li za te reakcije uopšte postoji jedinstven redosled. Kada smo uspeli da dokažemo da postoji, algoritam za njihovo ređanje postao je rešiv.” U timu su, pored istraživača iz Diseldorfa, i naučnici sa univerziteta u Nemačkoj, Kanadi, Francuskoj i na Novom Zelandu, uz Maks Plank institute i madridski IMDEA.
Zaključak koji Martin izvodi ide dalje od same biohemije:
“Novi podaci ostavljaju samo jedan zaključak. Bakterijska i arhejska loza prešle su u slobodno živuće stanje nezavisno. Samo slobodno živuće ćelije su žive. Nazovimo to pravim imenom: gledamo u jedno poreklo genetskog koda, ali dva porekla života.”
Šta ovaj rad ne dokazuje
Nalaz je rekonstrukcija, ne zapis. Zaključak o dva porekla života počiva na tome što se enzimi za iste reakcije ne poklapaju kod bakterija i arheja, a to je zapažanje o danas živim organizmima iz koga se unazad izvodi stanje od pre četiri milijarde godina. Fosili tog prelaza ne postoje.
Ni ogled sa fosfitom i paladijumom ne govori šta se dogodilo, nego šta je hemijski moguće u vodi, bez enzima. Razlika između mogućeg puta i pravog puta ovde ostaje otvorena.
Sam rad ne osporava jedinstveno poreklo genetskog koda, autori ga izričito zadržavaju. Sporan je trenutak kada se prelazi u samostalnu ćeliju, i to je ono što bi drugi timovi trebalo da provere na sopstvenim podacima. Rad je recenziran i nosi digitalnu oznaku 10.1126/sciadv.aef3128, ali je jedna studija, a ovako krupan pomak u tumačenju traži replikaciju pre nego što uđe u udžbenik.
