Νέες ενδείξεις για τη χημική προέλευση του μεταβολισμού στο Dawn of Life
Οι δημοφιλείς εικασίες για το πώς εξελίχθηκε η ζωή από μια σούπα χημικών στην πρώιμη Γη συχνά επικεντρώνονται στην προέλευση του DNA και του RNA, τα μόρια της γενετικής πληροφορίας. Αλλά η γένεση των γονιδίων είναι μόνο ένα από τα μυστήρια που πρέπει να υπολογίζουν οι θεωρίες προέλευσης της ζωής. Μια άλλη είναι η άνοδος του μεταβολισμού - οι βιοχημικές διεργασίες μέσα στα κύτταρα που καθιστούν δυνατή τη ζωή αντλώντας συνεχώς ενέργεια από το περιβάλλον και κατευθύνοντάς την στη συναρμολόγηση ζωτικών μορίων. Είναι ένα περίπλοκο πρόβλημα στο οποίο υπήρξε μικρή πρόοδος.
Αλλά οι επιστήμονες μπορεί να έχουν μόλις γυρίσει μια σημαντική γωνία σε αυτή την αναζήτηση. Σήμερα στο Nature Chemistry , ερευνητές του Πανεπιστημίου Furman και του Ερευνητικού Ινστιτούτου Scripps ανακοίνωσαν μια ανακάλυψη σχετικά με το πώς μπορεί να προέκυψε ένα από τα πιο σημαντικά μέρη του κυτταρικού μεταβολισμού. Οι ερευνητές έδειξαν ότι, όσο περίτεχνα υπάρχει αυτός ο χημικός μηχανισμός στα κύτταρα σήμερα, σχεδόν όλα τα συστατικά για έναν πιθανό πρόδρομό του θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί εύκολα από δύο απλές οργανικές ενώσεις που αντιδρούν στο νερό.
Άλλοι επιστήμονες χαιρέτησαν τη σημασία των νέων ευρημάτων, καθώς και την πρωτοτυπία και την αυστηρή χημική τεχνογνωσία των ερευνητών.
Ένας κεντρικός πυλώνας όλου του κυτταρικού μεταβολισμού - και ο όλεθρος γενεών μαθητών βιολογίας γυμνασίου που έπρεπε να τον απομνημονεύσουν - είναι μια σύνθετη χημική διαδικασία 10 σταδίων, γνωστή ως κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA), κύκλος κιτρικού οξέος ή Krebs κύκλος. «Ο κύκλος TCA βρίσκεται στο επίκεντρο μεγάλου μέρους της σύγχρονης βιολογίας, όπου χρησιμοποιείται τόσο για τη διάσπαση των τροφίμων σε ενέργεια όσο και για τη σύνθεση ζωτικών δομικών στοιχείων πρωτεϊνών», δήλωσε ο Γκρεγκ Σπρίνγκστιν, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο Furman. ερευνητής της ζωής και ένας από τους συγγραφείς της νέας μελέτης. Οι αναερόβιοι οργανισμοί μπορούν επίσης να εκτελέσουν τον κύκλο αντίστροφα για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα στα οργανικά δομικά στοιχεία των λιπών και των σακχάρων.
Επειδή ο κύκλος TCA τροφοδοτεί τόσες πολλές ζωτικές διεργασίες ακόμη και στα πιο απλά κύτταρα, οι επιστήμονες υποπτεύονται ότι ήταν μια από τις πρώτες αντιδράσεις που καθιερώθηκαν στην πρεβιοτική σούπα. Για να ανασυνθέσουν τον τρόπο εξέλιξής του, οι βιοχημικοί προσπάθησαν γενικά να εργαστούν προς τα πίσω αντικαθιστώντας τα οκτώ ένζυμα που εμπλέκονται στον σύγχρονο κύκλο TCA με μέταλλα μετάπτωσης, καθώς αυτά μπορούν να λειτουργήσουν ως καταλύτες για πολλές αντιδράσεις και θα έπρεπε να ήταν άφθονα. Αλλά τα μέταλλα μεταπτώσεως συχνά απέτυχαν να παράγουν τα επιθυμητά ενδιάμεσα μόρια ή καταλύουν τη διάσπασή τους τόσο γρήγορα όσο τα έφτιαχναν, και τα μέταλλα συνήθως χρειάζονταν υψηλές θερμοκρασίες ή άλλες ακραίες συνθήκες για να λειτουργήσουν. «Τα μέταλλα και οι σκληρές συνθήκες μπορεί να είναι καλές [στην] επιτάχυνση των αντιδράσεων, αλλά και [προωθούν] την καταστροφή των προϊόντων», δήλωσε ο Juli Peretó, καθηγητής βιοχημείας και μοριακής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Βαλένθια στην Ισπανία. "Αυτή η κατάσταση καθιστά μάλλον απίθανα ή μη ρεαλιστικά ορισμένα από τα προτεινόμενα σχήματα."
Για τον ερευνητή της προέλευσης της ζωής Ramanarayanan Krishnamurthy, αναπληρωτή καθηγητή χημείας στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps και έναν άλλο συν-συγγραφέα της νέας εργασίας, αυτή ήταν «μια κλασική περίπτωση του πώς η εστίαση αποκλειστικά σε βιολογικές ενδείξεις οδήγησε αυτήν την κοινότητα σε μια γωνία, η οποία εμπόδισε την πραγματική πρόοδο στον τομέα.»
Ακολουθώντας τη Χημεία
Ο Κρισναμούρθυ, ο Σπρίνγκστιν και οι συνάδελφοί τους ακολούθησαν μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Αντί να προσπαθήσουν να βρουν τον πρόδρομο του κύκλου TCA ανταλλάσσοντας απλούστερες εκδόσεις των συστατικών του, ξεκίνησαν ρωτώντας ποια ευέλικτα αντιδρώντα μπορεί να υπήρχαν στον πρεβιοτικό κόσμο και στη συνέχεια εξέτασαν πόσα μπορούσαν να κάνουν υπό διάφορες συνθήκες. "Βασικά, εξετάσαμε ποια μικρά μόρια θα ήταν διαθέσιμα και ποια θα ήταν η χημεία τους", είπε ο Krishnamurthy.
Ή όπως το έθεσε ο Σπρίνγκστιν, «Ακολουθούσαμε αντί να οδηγούμε τη χημεία».
Ξεκίνησαν με δύο μόνο ενώσεις - γλυοξυλικό και πυροσταφυλικό, τα δύο μικρότερα άλφα-κετοξέα, που περιέχουν μόνο δύο και τρία άτομα άνθρακα αντίστοιχα. Τα άλφα-κετοξέα τράβηξαν την προσοχή τους λόγω της «σταθερότητάς τους στο νερό και της τάσης τους να σχηματίζουν δεσμούς άνθρακα-άνθρακα, τον σκελετό της βιολογίας», είπε ο Springsteen.
Παραδόξως, διαπίστωσαν ότι το γλυοξυλικό και το πυροσταφυλικό αντέδρασαν για να δημιουργήσουν μια σειρά από ενώσεις που περιλάμβαναν χημικά ανάλογα σε όλα τα ενδιάμεσα προϊόντα στον κύκλο TCA εκτός από το κιτρικό οξύ. Επιπλέον, όλα αυτά τα προϊόντα σχηματίστηκαν σε νερό μέσα σε ένα δοχείο αντίδρασης, σε θερμοκρασίες και συνθήκες pH αρκετά ήπιες ώστε να είναι συμβατά με τις συνθήκες στη Γη.
Ο Κρισναμούρθυ περιέγραψε ότι ήταν «ντροπιαστικά εύκολο» να καταλήξουμε σε αυτά τα αποτελέσματα. Κανείς δεν φαίνεται να έχει δοκιμάσει καν κάτι τέτοιο στο παρελθόν, είπε, επειδή «η κοινότητα έπεισε τον εαυτό της ότι τα μέταλλα πρέπει να χρησιμοποιηθούν και ποτέ δεν σκέφτηκε την πιθανότητα να μην ισχύει».
Ο Springsteen σημείωσε ότι στα περισσότερα πειράματα οργανικής σύνθεσης, οι συνθήκες πρέπει να ρυθμίζονται αυστηρά και τα αρχικά αντιδρώντα και τα προϊόντα πρέπει να προστεθούν και να αφαιρεθούν με προσοχή. «Συγκριτικά, η χημεία που ανακαλύψαμε εδώ ήταν ένα όνειρο:Το μόνο που χρειαζόταν πραγματικά να κάνεις για να ξεκινήσει η πορεία ήταν [να] ρίξεις δύο σταθερά αντιδρώντα σε ρυθμισμένο νερό και να το κολλήσεις σε μια ζεστή εστία», είπε. "Η χημεία ήταν εξαιρετικά ισχυρή.
Η παραγωγικότητα των αντιδράσεων ξεπέρασε κατά πολύ τις αρχικές προσδοκίες τους, επειδή στην αρχή δεν ήταν προφανές πώς μερικές από αυτές θα μπορούσαν να προχωρήσουν απουσία κάποιου τρίτου αντιδραστηρίου που θα χρησίμευε ως αναγωγικό (δηλαδή πηγή ηλεκτρονίων). Στη συνέχεια ανακάλυψαν ότι το γλυοξυλικό υπό υδατικές συνθήκες έκανε ταυτόχρονα δύο εργασίες, λειτουργώντας ως πρώτη ύλη στην αντίδραση και ως αναγωγικό για να τη διευκολύνει. «Χρειάστηκαν μήνες πειραμάτων για να πείσουμε τους εαυτούς μας ότι το καταλάβαμε», είπε ο Σπρίνγκστιν. "Είχαμε κατανοήσει τα βασικά περιγράμματα της διαδρομής μέχρι τα μέσα του 2018 και στη συνέχεια περάσαμε δύο χρόνια εξερευνώντας και επιδεικνύοντας το πλήρες τοπίο της χημείας."
Ο Krishnamurthy και ο Springsteen υπογραμμίζουν και οι δύο ότι τα πειράματά τους δεν αποδεικνύουν ότι ο πρόγονος του κύκλου TCA εμφανίστηκε με αυτόν τον τρόπο:Υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ των αντιδράσεων και των ενδιάμεσων μορίων που δημιούργησαν και εκείνων στον κύκλο TCA, αλλά χωρίς περαιτέρω στοιχεία, είναι πιο συνετό να αναφέρετέ τους ως ανάλογα των ενδιάμεσων του κύκλου TCA. Δεν δημιούργησαν έναν κύκλο κανενός είδους, απλώς ένα μείγμα μορίων που θα μπορούσαν κατ' αρχήν να οργανωθούν για να λειτουργήσουν ως ένα.
Αλλά αν οι πρόδρομοι των κυττάρων είχαν αυτά τα μόρια στη διάθεσή τους, τότε μπορεί να είχαν κάνει κάποια από τη συνθετική χημεία χρήσιμη για τη ζωή. Αυτό το πρώτο σχέδιο μεταβολισμού θα ήταν σχεδόν βέβαιο ότι θα ήταν ακατέργαστο και ανεπαρκώς ελεγχόμενο, και ίσως να μην είχε καν οργανωθεί σε έναν πλήρη κύκλο. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, καθώς οι πρωτεΐνες έγιναν επίσης μέρος του μείγματος, τα ένζυμα θα μπορούσαν να έχουν αναλάβει τον έλεγχο ορισμένων από τις αντιδράσεις και ο πραγματικός κύκλος TCA μπορεί να έχει αρχίσει να διαμορφώνεται.
Το παρόν μπορεί να είναι παραπλανητικό
Η απόδειξη ότι κάτι σαν ένας κρίκος του σύγχρονου μεταβολισμού θα μπορούσε να έχει προκύψει κάτω από ήπιες, ελάχιστα απαιτητικές συνθήκες κάνει επομένως μια πρεβιοτική προέλευση για τον κύκλο TCA να φαίνεται πιο εφικτή, κάτι που δεν το έκαναν τα πειράματα μεταλλικών καταλυτών. Και η ανοιχτόμυαλη προσέγγιση των ερευνητών σε αυτήν την έρευνα ήταν ένα μεγάλο μέρος αυτού που το κατέστησε δυνατό.
«Πιστεύω ότι αυτή είναι μια βασική ιδέα:Μπορούμε να γίνουμε πολύ προκατειλημμένοι από αυτό που βλέπουμε σήμερα στη βιολογία», δήλωσε ο Sheref Mansy, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Το έγγραφο δείχνει ότι διερευνώντας πλήρως τις δυνατότητες των χημικών ουσιών που θα μπορούσαν εύλογα να υπήρχαν στην αυγή της ζωής, «μπορείτε να αποκαλύψετε πράγματα που δεν θα ήταν προφανή αν είχατε αυτή τη στενή άποψη για το τι πιστεύετε ότι θα έπρεπε να είχε συμβεί». Πρόσθεσε, "Νομίζω ότι από πολλές απόψεις, αλλάζει το παιχνίδι."
Ο Περέτο συμφωνεί:«Για μένα, το κύριο μάθημα είναι ότι πρέπει να επανεξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε την προέλευση του μεταβολισμού», επειδή η αντίστροφη εργασία σε σχέση με αυτό που υπάρχει στα κύτταρα σήμερα «μπορεί να είναι παραπλανητική». Ωστόσο, ενώ σημείωσε ότι η εργασία των Krishnamurthy, Springsteen και των συναδέλφων τους ήταν «ένα σημαντικό βήμα» προς την κατανόηση της προέλευσης του μεταβολισμού, προειδοποίησε ότι «πρέπει ακόμη να ξεδιαλύνουμε πολλές άλλες λεπτομέρειες για να συνθέσουμε μια συνεκτική και εύλογη αφήγηση για την προέλευση του ζωή."
Ο Mansy, επίσης, ήταν προσεκτικός στην ερμηνεία του έργου παρά τον ενθουσιασμό του για αυτό. «Ο μεταβολισμός δεν παρέχει απλώς δομικά στοιχεία. Είναι πραγματικά ένα είδος ροής ενέργειας που διατηρεί την κατάσταση χαμηλής εντροπίας ενός κυττάρου», είπε. Για αυτόν, μέρος αυτού που λείπει ακόμα είναι στοιχεία ότι κάποιο είδος πρωτομεταβολισμού βοήθησε τους πρόδρομους των κυττάρων να επιβιώσουν καλύτερα (ακόμα κι αν αυτοί οι πρόδρομοι δεν ήταν, αυστηρά, ζωντανοί). "Μέχρι να αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε πώς αυτό το είδος χημείας μπορεί να δώσει ένα επιλεκτικό πλεονέκτημα σε ένα ενθυλακωμένο χημικό σύστημα έναντι ενός άλλου… δεν ξέρω πού πηγαίνουν όλα", είπε.
Ο Κρισναμούρθυ συμφωνεί ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα να γίνουν. «Το επόμενο λογικό βήμα είναι να δούμε ποιες φυσικές ευκαιρίες προκύπτουν ώστε η σειρά των ενδιάμεσων που παράγονται σε αυτή την αλληλουχία αντίδρασης να μετατραπεί σε άλλες ενδιαφέρουσες ενώσεις», όπως αμινοξέα, νουκλεοβάσεις και σάκχαρα, είπε. Θα είναι επίσης απαραίτητο να προσδιοριστούν ποιες θα μπορούσαν να ήταν ισχυρές πηγές γλυοξυλικού και πυροσταφυλικού στον κόσμο των πρεβιοτικών.
Ακόμα κι αν οι επιστήμονες μπορούν ακόμα να κάνουν μόνο εικασίες σχετικά με την προέλευση του μεταβολισμού, αυτά τα νέα αποτελέσματα προσφέρουν ελπίδα ότι οι απαντήσεις μπορεί να είναι διαθέσιμες - εάν οι ερευνητές κάνουν τις σωστές ερωτήσεις. Γι' αυτό ο Κρισναμούρθυ λέει ότι συχνά τελειώνει τις ομιλίες του για την προέλευση της ζωής παραθέτοντας μια παρατήρηση του βιοχημικού Leslie Orgel, ενός από τους μεγαλύτερους πρωτοπόρους του τομέα. «Όποιος νομίζει ότι γνωρίζει τη λύση σε αυτό το πρόβλημα έχει αυταπάτες», είπε ο Όργελ. "Όμως όποιος πιστεύει ότι αυτό είναι ένα άλυτο πρόβλημα είναι επίσης αυταπάτη."
Σημείωση του συντάκτη:Ο Krishnamurthy και ο Mansy είναι συνδεδεμένοι με τη Συνεργασία Simons on the Origins of Life, που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το συντακτική ανεξάρτητη περιοδικό.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ιταλικά στο le Scienze .
