Важно постижение: учени откриха липсващото звено в химията на живота

Ново изследване показва как могат да се възстановят древните биохимични реакции.

Произходът на живота на нашата планета отдавна е една от най-големите загадки, които учените се опитват да разгадаят. Един от ключовите въпроси, които предизвикват най-големи спорове, е колко голяма част от историята за произхода на живота на Земята е безвъзвратно загубена през вековете. Нерядко цели видове могат да изчезнат в резултат на сложни биохимични реакции и ако това се случи с достатъчно голям брой видове, то информацията за тези реакции може да бъде напълно изтрита от летописа на еволюцията.

Изследователи от Института за наука за живота на Земята (ELSI) към Технологичния институт в Токио и Калифорнийския технологичен институт (CalTech) решиха да разберат как могат да бъдат открити забравените биохимични реакции. Те изказаха хипотезата, че тази забравена химия може да се прояви като прекъсване на пътя от най-опростените геохимични молекули до сложните биологични молекули.

Ранната Земя е била богата на прости съединения като сероводород, амоняк и въглероден диоксид, които обикновено не се свързват с поддържането на живота. Преди милиарди години обаче ранният живот е използвал именно тези прости молекули като суровини. С развитието на живота биохимичните процеси постепенно превръщат тези прекурсори в съединения, които съществуват и днес. Тези процеси представляват най-ранните метаболитни пътища.

За да моделират историята на биохимията, изследователи от ELSI, включително специално назначените доценти Харисън Б. Смит и Лиъм М. Лонго, и доцент Шон Ерин МакГлин, заедно с научния сътрудник Джошуа Голдфорд от КалТех, съставиха списък на всички известни биохимични реакции, за да разберат какви видове химия е способен да извършва животът.

Те се обърнаха към базата данни Encyclopedia of Genes and Genomes (Енциклопедия на гените и геномите) от Киото, в която са каталогизирани над 12 000 биохимични реакции. С тези данни те започват да моделират поетапната еволюция на метаболизма.

Предишните опити за моделиране на еволюцията на метаболизма не успяха да създадат най-често срещаните сложни молекули, използвани от съвременния живот. Причината за това оставаше неясна. В новото изследване, публикувано в списание Nature Ecology & Evolution, учените се сблъскаха със същия проблем: моделът можеше да произведе само няколко съединения.

За да решат този проблем, изследователите решили да открият колко и какви реакции липсват. Търсенето им ги отвело до една от най-важните молекули в биохимията: аденозинтрифосфат (АТФ).

АТФ е енергийната валута на клетката, тъй като се използва за осъществяване на реакциите, като например синтеза на протеини, които иначе не биха протекли във водата. За образуването на самия АТФ обаче е необходим АТФ. Тази циклична зависимост спира и обезсмисля модела.

Как да се преодолее това „тясно място“ с АТФ? Оказа се, че реактивната част на АТФ е доста подобна на неорганичното съединение полифосфат. Като дадоха възможност на реакциите за генериране на АТФ да използват полифосфат вместо АТФ и модифицираха само осем реакции, учените успяха да моделират почти целия съвременен метаболизъм. Те са успели да оценят относителната възраст на всички често срещани метаболити и да изследват историята на метаболитните пътища.

Полифосфатът е неорганично съединение, което представлява верига от няколко фосфатни групи, свързани помежду си. Полифосфатите могат да имат различна дължина на веригата, варираща от две до стотици фосфатни връзки. Те играят важна роля в различните биологични процеси, особено в обмяната на веществата и енергийния метаболизъм.

Един от въпросите, които възникнаха по време на изследването, беше дали биологичните пътища се изграждат линейно – когато една реакция се добавя след друга – или пътищата се формират мозаечно, свързвайки реакции с различна възраст. Учените откриха, че и двата типа пътища са еднакво разпространени.

Да се върнем към първоначалния въпрос – колко биохимични вещества са били загубени с течение на времето?

„Никога няма да разберем със сигурност, но нашето изследване разкри един важен факт: само осем нови реакции, които приличат на обичайните биохимични реакции, са необходими, за да се свържат геохимията и биохимията“, казва Смит. „Това не доказва, че изгубената биохимия е малка, но показва, че дори изчезналите реакции могат да бъдат възстановени и реконструирани по следите, оставени в съвременната биохимия“,

заключава той.