Naukowcy odkryli struktury białek, które mogą być odpowiedzialne za pochodzenie życia
W jaki sposób pojawiło się życie na naszej planecie? Na to pytanie nie mamy jeszcze pełnej odpowiedzi, ale nauka jest coraz bliżej. Naukowcom udało się właśnie zidentyfikować struktury białek, które mogły do tego doprowadzić.
Zespół naukowców związanych z Rutgers University New Brunswick w New Jersey wyszedł z założenia, że życie, jakie znamy, zależy od gromadzenia i wykorzystywania energii. W pierwotnej zupie pradawnej Ziemi energia najprawdopodobniej pochodziła z promieniowania słonecznego lub z głębi Ziemi, jako ciepło przesączające się przez kominy hydrotermalne znajdujące się na dnie mórz.
Na poziomie molekularnym wykorzystanie energii oznacza przenoszenie elektronów – to podstawowy proces chemiczny, w którym elektron przemieszcza się z jednego atomu lub cząsteczki do drugiego. Transfer elektronów znajduje się w samym centrum reakcji utleniania i redukcji (znanych również jako reakcje redoks), które są niezbędne dla niektórych podstawowych funkcji życiowych.
Ponieważ metale są najlepszymi komponentami do przeprowadzenia transferu elektronów, a złożone cząsteczki zwane białkami napędzają większość procesów biologicznych, naukowcy postanowili połączyć te dwa elementy i poszukać białek wiążących metale. Zastosowano metodyczne, obliczeniowe podejście do porównania białek wykrywających metale, ujawniając pewne wspólne cechy, które pasowały do wszystkich z nich – niezależnie od funkcjonalności białka, metalu, z którym się wiąże, lub zaangażowanego organizmu.
– Zauważyliśmy, że rdzenie wiążące metale istniejących białek są rzeczywiście podobne, chociaż same białka nie muszą być podobne – mówi mikrobiolog Yana Bromberg z Rutgers University New Brunswick w New Jersey. – Widzieliśmy również, że rdzenie wiążące metale są często zbudowane z powtarzających się podstruktur, podobnie jak klocki Lego. Co ciekawe, bloki te znaleziono również w innych fragmentach białek, nie tylko rdzeniach wiążących metale, i w wielu innych białkach, które nie zostały uwzględnione w naszych badaniach.
Naukowcy sugerują, że te wspólne cechy mogły być obecne i działać w najwcześniejszych białkach, zmieniając się w czasie, aby stać się białkami, które obserwujemy dzisiaj – ale zachowując pewne wspólne struktury. Uważa się, że rozpuszczalne metale w oceanach archaiku, które pokrywały Ziemię tysiące milionów lat temu, mogły zostać użyte do zasilania pewnej puli elektronów wymaganej do transferu energii, a co za tym idzie, życia biologicznego.
– Nasze obserwacje sugerują, że rearanżacje tych małych cegiełek mogły mieć jednego lub niewielką liczbę wspólnych przodków i dać początek całej gamie białek i ich funkcji, które są obecnie dzisiaj – mówi Bromberg. – To znaczy dać początek życiu, jakie znamy.
Zespołowi udało się zidentyfikować ewolucje w zwojach białkowych – kształtach przyjmowanych przez białka w miarę ich aktywności biologicznej – które mogły wytworzyć białka znane nam dzisiaj, podobnie jak w projekcie molekularnego drzewa genealogicznego. Badania wykazały również, że biologicznie funkcjonalne peptydy (organiczne związki chemiczne, amidy powstające przez połączenie dwóch lub więcej cząsteczek aminokwasów wiązaniem peptydowym) mogły być starsze od najwcześniejszych białek, których wiek sięga 3,8 miliarda lat.
Jak zawsze, każda analiza początków życia na Ziemi może być ważna również w poszukiwaniu życia na innych planetach, gdzie życie może zacząć ewoluować (lub mogło już ewoluować) wzdłuż podobnych biologicznych ścieżek. Odkrycie konkretnych strukturalnych elementów budulcowych może mieć również znaczenie dla wysiłków z zakresu biologii syntetycznej, które ponoszą naukowcy, dążąc do skonstruowania na nowo specjalnie aktywnych białek.
Artykuł na temat badań ukazał się 14 stycznia 2022 roku w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances”.
Opracowano na podstawie:
Study Finds Protein Structures That Could Be Responsible For The Origins of Life
Quantifying structural relationships of metal-binding sites suggests origins of biological electron transfer
