Dva izvora življenja: Slobodno živeče celice so se morda pojavile dvakrat, ko sta se bakterije in arheje ločila

Dva izvora življenja: Celice, ki živijo svobodno, so se morda pojavile dvakrat, ko so se bakterije in arheje ločile Znanstveniki so odkrili prepričljive dokaze, ki kažejo, da so se celice, ki živijo svobodno, morda pojavile neodvisno dvakrat, enkrat s pojavom bakterij in enkrat z nastankom arhejev, saj sta se ta dva področja življenja pred milijardami let ločila. Študija, ki so jo objavili v reviji Science Advances raziskovalci iz inštituta za molekularno evolucijo na univerzi Heinrich Heine Düsseldorf, skupaj s sodelavci iz več institucij, predstavlja to prelomno ugotovitev, ki temelji na analizi genoma, študijah strukture beljakovin in rekonstrukcijah starodavnih metaboličnih poti.

Raziskava je pokazala, da so se najzgodnejše oblike življenja verjetno pojavile v okoljih, bogatih z hidrotermalno aktivnostjo, kot so globokomorske odprtine. Ti pogoji so zagotovili mešanico anorganskih katalizatorjev, vključno z kovinami, ki so igrali ključno vlogo pri olajševanju kemičnih reakcij, potrebnih za življenje. Študija kaže, da so se začetne faze celične presnove močno zanašale na te okoljske katalizatorje in ne na encime, ki so prišli kasneje v evolucijski zgodovini. Natalia Mrnjavac, biologinja na univerzi v Düsseldorfu in vodilna avtorka študije, je opisal proces kot opazovanje prvih celic, ki se pojavljajo iz prvotne juhe.

"Videli bi dve zelo različni vrsti celic, pionirske bakterije in pionirske arheje, ki bi prvič poskušali živeti zunaj meja hidrotermalnih odprtin", je pojasnila. "Odkritja izpodbijajo dolgoletno domnevo, da je življenje nastalo z eno samo evolucijsko potjo, namesto tega pa predlagajo scenarij, v katerem sta dva ločena izvora povzročila dve primarni veji celičnega življenja". Raziskovalna skupina je preučila kemijske reakcije, ki so omogočile sintezo temeljnih bioloških molekul, kot so aminokisline, baze RNA in vitamini, iz preprostih predhodnikov, kot so vodik, amonijak in ogljikov dioksid.

Ugotovili so skupno 420 encimskih reakcij, ki se zdaj štejejo za univerzalne za vse žive organizme. Vendar pa je študija pokazala, da encimi, odgovorni za te reakcije, niso deljeni med bakterijami in arheami. Namesto tega je zadnji univerzalni skupni prednik (LUCA) vseh znanih življenjskih oblik imel encime za le približno polovico teh reakcij, preostale pa so katalizirale kovine v okolju. William Martin, biolog z univerze v Düsseldorfu in višji avtor študije, je poudaril pomen tega odkritja.

Nenavadno je, da encimi, ki katalizirajo te reakcije, niso ohranjeni čez evolucijski prepad, ki ločuje bakterije in arheje, je dejal. Odkrili smo, da LUCA poseduje encime za le približno polovico reakcij presnove. Harun Tüysüz, anorganski kemik iz Max-Planck-Institutu für Kohlenforschung in IMDEA Materials Institute v Madridu, je dodal, da bi kovine, ki se pogosto nahajajo v hidrotermalnih odprtinah, lahko učinkovito nadomestile velik del encimov, potrebnih za presnovo. Kovine, ki se naravno pojavljajo v hidrotermalnih odprtinah, lahko nadomestijo presenetljivo veliko število encimov v presnovi, je dejal.

Joseph Moran, raziskovalec z Univerze v Ottawi, ki se je specializiral za uporabo kovin za kataliziranje presnovnih reakcij, je nadalje razložil posledice študije. "Čim bolj natančno pogledamo, tem bolj jasno vidimo, da je zgodnja biokemična evolucija bila hibrid encimskih in kovinskih katalizatorjev", je dejal. "Ta hibridni sistem je zgodnjim življenjskim oblikam omogočil prilagajanje in evolucijo, kar je sčasoma privedlo do razvoja popolnoma funkcionalnih encimov, sposobnih opravljati zapletene presnovne naloge.

Raziskovalci so rekonstruirali štiri ključne faze zgodnje katalize: začetno obdobje, v katerem so prevladovali samo kovinski katalizatorji, ki mu je sledila prehodna faza, ki je vključevala kovine in encime, in končno raznolikost encimskih sistemov znotraj bakterijskih in arhejskih linij.