První volně žijící buňky na Zemi nemusely vzniknout jediným přechodem. Mezinárodní tým vedený biology z Heinrich-Heine University Düsseldorf dospěl k závěru, že bakterie a archea – dvě hlavní skupiny organismů bez buněčného jádra – mohly samostatně dokončit vývoj enzymatického metabolismu, který jim umožnil nezávislý život mimo prostředí hydrotermálních průduchů. Studie zveřejněná v časopise Science Advances přitom netvrdí, že by dnešní život měl dva zcela nezávislé genetické počátky. Bakterie i archea sdílejí základní genetický kód a podle autorů také společného předka.
Výzkum se soustředil na metabolismus, tedy soubor chemických reakcí, jimiž buňka získává energii a vyrábí látky nezbytné pro svůj růst. Autoři sledovali síť reakcí vedoucích od jednoduchých plynů a minerálních látek k aminokyselinám, stavebním jednotkám RNA a dalším molekulám potřebným pro buněčné fungování. Zkoumali přibližně 420 takových reakcí, jejich enzymy v genomech bakterií a archeí, strukturu příslušných proteinů i možné chemické obdoby těchto procesů v prostředí rané Země.
Analýza pracovala s vyváženým souborem 552 bakteriálních a 401 archeálních genomů. Výzkumníci se nespoléhali jen na podobnost sekvencí proteinů, ale také na jejich trojrozměrnou stavbu. Ta může odhalit vzdálenější evoluční příbuznost, která už není ve vlastní genetické sekvenci dobře patrná. Enzymy potřebné pro sledované metabolické reakce rozdělili do strukturálně zpřesněných skupin a porovnávali, zda se jejich původ dá vysledovat až k poslednímu univerzálnímu společnému předku buněčného života, označovanému zkratkou LUCA.
Podle výsledků měl LUCA enzymy jen pro část zkoumané metabolické sítě. Autoři uvádějí, že k němu bylo možné přiřadit 166 enzymů základního metabolismu, zatímco další enzymy se objevily až ve větvi vedoucí k poslednímu společnému předku bakterií nebo archeí. Některé nezbytné reakce tedy podle této rekonstrukce zajišťovaly u obou skupin různé, evolučně nepříbuzné enzymy. Takový výsledek by naznačoval, že bakterie a archea si samostatně vytvořily části biochemického vybavení, které snížilo jejich závislost na vnějším chemickém prostředí.
Od kovů k enzymům
Práce vychází z představy, že raný metabolismus mohl být úzce propojen s geochemií hydrotermálních systémů. Dříve než buňky dokázaly vyrábět dostatek vlastních enzymů a pomocných molekul, mohly některé reakce katalyzovat kovy a minerály. Katalyzátor je látka, která urychluje chemickou reakci, aniž by se při ní sama spotřebovala. Autoři uvádějí železo, kobalt, nikl a palladium jako přechodné kovy schopné v laboratorních podmínkách zastoupit některé funkce pozdějších biologických katalyzátorů.
Součástí studie byly také pokusy s fosfitem, sloučeninou fosforu, která se nachází v některých serpentinizačních hydrotermálních systémech. Při reakcích ve vodě za přítomnosti palladia se fosfit podílel na fosforylaci – připojení fosfátové skupiny k jiné molekule. Tato chemická úprava je v dnešních buňkách zásadní pro přenos energie. V experimentu se z AMP vytvořilo ADP s výtěžností 8 procent po 72 hodinách při teplotě 50 °C a pH 9; při jiné reakci vznikal z aminokyseliny serinu fosfoserin s výtěžností 42 procent během 18 hodin. Výsledky ukazují možnou cestu, jak mohly energeticky náročné reakce probíhat před rozšířením enzymů a molekul ATP, nikoli však přímý důkaz, že přesně takové podmínky panovaly na rané Zemi.
Autoři z těchto zjištění skládají čtyřstupňový model. Nejstarší chemické reakce měly být poháněny hlavně anorganickými katalyzátory. Ve fázi připisované LUCA by se podle nich uplatňovaly současně kovy z prostředí i některé enzymy. Následně se v liniích bakterií a archeí vyvíjely další enzymy nezávisle, až obě skupiny získaly metabolismus dostatečně úplný pro samostatný buněčný život. Tento scénář by znamenal jeden společný původ genetického systému, ale dva oddělené přechody k volně žijícím buňkám.
Závěr závisí mimo jiné na tom, kde se stanoví hranice mezi životem a jeho chemickými předstupni. Studie interpretuje prostředí závislé systémy se sdíleným genetickým kódem, ale neúplným enzymatickým metabolismem jako etapu před vznikem samostatných buněk. Nejde tedy o důkaz dvou úplně oddělených událostí, při nichž by život vznikl z neživé chemie dvakrát. Rekonstrukce takto vzdálené minulosti navíc vychází z vlastností dnešních organismů a z laboratorních reakcí, takže ji nelze ověřit přímým pozorováním. Práce především nabízí konkrétní model, který propojuje geochemii hydrotermálních průduchů s rozdíly mezi metabolismem bakterií a archeí.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.