Як почалися перші хімічні реакції при виникненні життя і що було для них джерелом енергії? Дослідники з Дюссельдорфського університету Генріха Гейне (HHU) реконструювали метаболізм останнього універсального спільного предка, LUCA (Last Universal Common Ancestor). Вони виявили, що майже всі хімічні етапи, які використовувало первісне життя для з'єднання молекулярних будівельних блоків клітин, є реакціями вивільнення енергії, визначивши довго шукане джерело енергії, необхідне для розвитку цих реакцій, – джерело, яке досі ховалося з видимого поля зору. Виявилось, що енергія, необхідна для синтезу цих будівельних блоків життя, надходить із самого метаболізму, якщо в нього входить одна важлива вихідна сполука. Секретним інгредієнтом, який вивільняє енергію зсередини в момент виникнення життя, є найчистішим, найзеленішим, найновішим і найстарішим з усіх енергоносіїв: газоподібний водень, H2.
Команда професора доктора Вільяма Мартіна з Інституту молекулярної еволюції при HHU досліджує, як і де виникло життя на ранній Землі. Їхній підхід є і експериментальним, і обчислювальним. У лабораторії вони проводять хімічні експерименти, щоб досліджувати реакції між воднем і вуглекислим газом, відтворюючи каталізатори та умови підводних гідротермальних джерел. За допомогою комп’ютера вони розробили форму молекулярної археології, яка дозволяє їм виявити багато різних слідів первісного життя, які збереглися в білках, ДНК і хімічних реакціях сучасних клітин.
У своїй останній роботі вони досліджували питання про те, яке хімічне середовище сприяло хімічним реакціям, що викликали метаболізм, а згодом і самого LUCA, і звідки надходила енергія, необхідна для протікання цих реакцій. Для цього вони дивилися не на гени, а на інформацію, що міститься в хімічних реакціях самого життя. Вони виявили 402 метаболічні реакції, які практично не змінилися з моменту виникнення життя приблизно 4 мільярди років тому. Оскільки ці реакції є загальними для всіх клітин, вони також були присутні в LUCA. Вони і проливають світло на те, як первісне життя поводилося з енергією в обміні речовин і звідки воно отримувало енергію, необхідну для розвитку життєвих хімічних реакцій.
Джессіка Віммер, аспірантка інституту та провідний автор нової статті, склала каталог із 402 реакцій, які прості й архаїчні клітини – бактерії та археї – з числа сучасних клітин використовують для створення будівельних блоків життя: 20 амінокислот, основ ДНК і РНК та 18 вітамінів (кофакторів), які необхідні для метаболізму. У найпримітивніших сучасних клітинах, як і в комп’ютерному аналізі Віммер, ці сполуки синтезуються з простих молекул, які присутні в сучасному середовищі і які також були присутні в гідротермальних джерелах на ранній Землі: водню (H₂), вуглекислого газу (CO₂) і аміаку (NH₃). Результатом стала метаболічна мережа LUCA.
"Ми хотіли знати, – пояснює Джессіка Віммер мотивацію головного питання нового дослідження, – звідки взялася енергія, яка уможливлювала протікання первісного метаболізму. Близько 4 мільярдів років тому, на самому початку метаболічних реакцій, не було білків або ферментів, щоб каталізувати ці реакції, оскільки вони ще не виеволюціонували. Метаболізм мав виникнути в результаті реакцій, які могли відбуватися в навколишньому середовищі, можливо, за допомогою неорганічних каталізаторів. З каталізаторами чи без, але щоб протікати, реакції повинні вивільняти енергію. Звідки ця енергія? В літературі було багато припущень щодо можливих джерел метаболічної енергії. Але ніхто ніколи не вивчав реакції самого метаболізму". Щоб знайти джерела енергії в метаболічних реакціях, команда розрахувала кількість вільної енергії (так звана енергія Гіббза), яка вивільняється або споживається в кожній реакції.
Результатом стало усвідомлення, що метаболізм LUCA не потребує зовнішнього джерела енергії, такого як ультрафіолетове світло, падіння метеоритів, виверження вулканів чи радіоактивність. Навпаки, в середовищі, типовому для багатьох сучасних підводних гідротермальних джерел, енергія, необхідна для подальших реакцій метаболізму, виходить з самого метаболізму. Іншими словами, майже всі метаболічні реакції LUCA вивільняють енергію самі по собі: енергія для життя походить із самого життя. Вільям Мартін каже: "Це захопливо, що чотириста взаємопов’язаних реакцій центрального метаболізму, які здаються такими безнадійно складними на перший погляд, раптом виявляють природну тенденцію розвиватися самі по собі за правильних умов".
Щоб дійти такого висновку, команді довелося спочатку дослідити енергетику 402 реакцій за допомогою комп’ютерних програм, які моделюють різні умови навколишнього середовища, щоб відрізнити енергетично сприятливі комбінації від несприятливих. Це важливо, оскільки те, чи виділяє реакція енергію, часто залежить від умов навколишнього середовища. Вони досліджували умови в діапазоні від pH=1 (кисле) до pH=14 (лужне), від 25°C до 100°C та різну відносну кількість реагентів. Вони особливо уважно розглядали енергетичну роль водню. Віммер каже: "Без водню взагалі нічого не відбувається, тому що водень потрібен для отримання вуглецю з СО₂, що включається в метаболізм".
Енергетично оптимальні умови є в межах лужного діапазону pH близько 9 і температури близько 80°C, при цьому для фіксації CO₂ потрібно водень. Розглядаючи цей результат у контексті існуючих умов, В. Мартін пояснює: "Це майже те, що ми бачимо в Лост Сіті, гідротермальному полі, що виробляє H₂ в Середній Атлантиці. У такому середовищі приблизно 95-97% метаболічних реакцій LUCA могли протікати спонтанно, тобто без потреби в будь-якому іншому джерелі енергії. У бездонній темряві гідротермальних систем H₂ є хімічним сонячним світлом. Сучасні енергетичні дослідження використовують точно ті ж властивості водню, що й життя. Просто життя має чотири мільярд років досвіду з водневою технологією, в той час як ми починаємо".
Джессіка Віммер додає: "Стосовно енергії зародження життя ми можемо сказати, що чистої хімічної енергії достатньо. Нам не потрібно ні сонячного світла, ні метеоритів, ні ультрафіолетового світла: лише H₂ і CO₂, а також трохи аміаку та солей. Через максимально збережену природу хімічних реакцій у нашій біосинтетичній мережі ми можемо отримати цікаве розуміння про реакції, які призвели до LUCA, навіть якщо він жив чотири мільярди років тому".
Джессіка Віммер
Life arose on hydrogen energy, researchers suggest
Jessica L. E. Wimmer, Joana C. Xavier, Andrey d. N. Vieira, Delfina P. H. Pereira, Jacqueline Leidner, Filipa L. Sousa, Karl Kleinermanns, Martina Preiner, William F. Martin.
Energy at Origins: Favorable Thermodynamics of Biosynthetic Reactions in the Last Universal Common Ancestor (LUCA).
Frontiers in Microbiology, 2021; 12 DOI: 10.3389/fmicb.2021.793664
13.12.2021