Procesy chemiczne, które poprzedzały powstanie życia
Badacze z Uniwersytetu w Strasburgu odkryli, że wymieszanie dwóch niewielkich biocząsteczek – kwasu glioksalowego i kwasu pirogronowego w wodzie bogatej w siarczan żelaza wytwarza sieć reakcji przypominających podstawowe biochemiczne reakcje żywych organizmów. Odkrycie może pomóc nam dowiedzieć się, jakie reakcje chemiczne towarzyszył rozwojowi najwcześniejszych form życia na Ziemi.
Naukowcy od dawna próbują dociec, jak wyglądały biochemiczne początki życia na Ziemi, które miało prawdopodobnie miejsce ponad 4 miliardy lat temu. Cała biochemia, czyli chemia organizmów żywych, jest zorganizowana wokół zaledwie kilku uniwersalnych reakcji, opartych na węglu (C), tlenie (O) i wodorze (H). Dlaczego jest właśnie tak, a nie inaczej, do końca nie wiadomo.
Jakiś czas temu pisaliśmy już o eksperymentach, których celem było odtworzenie warunków powstania życia na Ziemi. (zobacz: Czy Bóg jest potrzebny do wyjaśnienia powstania życia na Ziemi?). Pierwsze próby – słynny eksperyment Stanleya Millera – miały miejsce już w latach 50-tych XX wieku. Od tego czasu nie mamy jasnych rozstrzygnięć, w rzeczywistości wiec nie wiemy, jak doszło do powstania życia na Ziemi (a być może życia w ogóle).
Grupa badaczy skupiona wokół prof. Josepha Morana z Uniwersytetu w Strasbourgu poświęciła kilka ostatnich lat badaniom tylko wycinka tego zjawiska. Badano początki metabolizmu, czyli zespołu reakcji chemicznych i związanych z nimi zjawisk, które leżą u podstaw funkcjonowania komórek, a tym samym u podstaw życia jako takiego. Pytaniem, które szczególnie interesowało naukowców, było to, jakie procesy chemiczne mogły przygotować proces metaboliczny, zanim mógł on zajść w żywych komórkach.
- Idea, która zakłada, że biologiczny metabolizm miał swojego chemicznego prekursora, który posługiwał się podobnymi środkami i przekształceniami, wydaje się bardzo atrakcyjna – opowiada prof. Moran.
Badania naprowadziły zespół na reakcję chemiczną, która może być ekwiwalentem szlaku acetylo-CoA (acetylo koenzymu A), czyli ciągu reakcji, w których mikroorganizmy z dwutlenku węgla wytwarzają związki organiczne. Związki organiczne to takie związki, których podstawą strukturalną jest węgiel. Wokół atomów węgla łączą się inne pierwiastki, tworząc związki podstawowe dla życia.
Dlaczego właściwie to odkrycie ma znaczenie? Kiedyś uważano, że związki organiczne wytworzyć mogą tylko organizmy żywe – stąd z resztą ich nazwa. Dziś wiemy już, że można je wytworzyć także w laboratorium. Sensem tych badań nie jest więc to, że udało się stworzyć związki organiczne w warunkach laboratoryjnych, ale że odkryto potencjalną ścieżkę, w której dzieje się to samoczynnie w przyrodzie.
Reakcje, które zaobserwowano doprowadziły do powstania octanu, posiadającego dwa atomy węgla i pirogronianu, który ma trzy atomy węgla. Prace utknęły na etapie wytworzenia z CO2 związków, których wzór sumaryczny zwierałby więcej niż 3 atomy węgla. Żeby to osiągnąć, życie posługuje się kompleksami enzymów i adenozyno-5′-trifosforan (ATP), czyli ważnym dla życia związkiem chemicznym, odpowiedzialnym za transport energii w komórce. Zarówno enzymy, jak i ATP to bardzo skomplikowane struktury, które zdaniem badaczy nie mogły powstać na planecie, na której nie było jeszcze życia. Badacze ze Strasburga rozważali więc, jak życie mogło zainicjować swoją biochemię, zanim powstały enzymy i ATP?
– Przełom nastąpił, kiedy uświadomiliśmy sobie, że chemiczny metabolizm mógł funkcjonować w zasadniczo inny sposób niż dzieje się to we współczesnych warunkach, w żywych organizmach – tłumaczy prof. Moran.
Inspiracją dla zespołu okazały się wcześniejsze badania nad kwasem gliksalowym i kwasem pirogronowym. Jak wyjaśnia dr Kamila Muchowska, członek zespołu prof. Morana i główna autorka publikacji w tygodniku „Nature”, okazało się, że zmieszanie tych dwóch kwasów w środowisku wodnym bogatym w żelaza doprowadziło do reakcji, w wyniku których powstało ponad 20 biologicznych półproduktów, z których niektóre wiązały nawet sześć atomów węgla. Obserwacje były podwójnie interesujące, ponieważ nie tylko z każdą reakcją związki stawały się coraz bardziej złożone, ale także zauważono zwrotną reakcję, charakterystyczną dla organizmów żywych, w której te związki rozkładały się znów do postaci dwutlenku węgla.
– Uważamy, że właśnie tą drogą mógł podążyć chemiczny metabolizm, który stał się prekursorem biologii, zanim jeszcze istniały enzym i ATP – podsumowuje dr Muchowska.
Artykuł opublikowano w tygodniku “Nature”. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1151-1
Opracowano na podstawie artykułu Life's biochemical networks could have formed spontaneously on Earth opublikowanego na portalu Phys.org
