Химические реакции, ответственные за формирование общих метаболитов в современных организмах, могли протекать совершенно спонтанно в ранних океанах Земли, ставя тем самым под сомнение события, которые, по мнению учёных, привели к возникновению жизни.
В рамках нового исследования, финансируемого Wellcome Trust, учёные из Кембриджского университета (University of Cambridge) воссоздали в лабораторных условиях химическую структуру самого раннего океана нашей планеты. Команде исследователей удалось идентифицировать непосредственное местонахождение последовательностей реакций, которые в современных организмах делают возможным образование молекул, необходимых для синтеза метаболитов, таких как аминокислоты, нуклеиновые кислоты и липиды. Эти органические молекулы имеют чрезвычайно важное значение для процессов клеточного метаболизма, присущих всем живым организмам.
Обнаружение одного из метаболитов, рибозы 5-фосфата, с «смесях» реакций заслуживает особого внимания, так как предшественники РНК, которые, согласно многим теориям, дали начало молекулам РНК, кодирующим всю информацию в организме, катализируют химические реакции и отвечают за их репликацию.
Ранее предполагалось, что сложные метаболические последовательности реакций, известные как метаболические пути, происходящие в современных клетках, были возможны исключительно при наличии ферментов. Ферменты — это весьма сложные молекулярные машины, которые, как полагают учёные, появились во время развития современных организмов. Тем не менее, реконструкция команды показывает, что подобные метаболизму реакции, возможно, могли происходить в ранних океанах Земли, то есть задолго до того, как эволюционировали первые организмы.
Почти 4 млрд лет тому назад жизнь на Земле зародилась в богатых железом океанах, которыми была покрыта большая часть планеты. Океаны были представлены бескислородным миром, предшествующим процессам фотосинтеза. В то время процессы окисления-восстановления железа кардинально отличались от того, что мы можем видеть сегодня. К тому же железо было более растворимым, следовательно, могло выступать в качестве потенциального катализатора. В океанах периода архея, железо, прочие металлы и фосфаты облегчили ряд реакций, которые были своего рода ядром клеточного метаболизма и протекали при отсутствии ферментов.
Результаты проведенного исследования предполагают, что метаболизм предшествовал происхождению жизни и развивался через химические условия, характерные самым ранним океанам Земли.
По словам доктора Markus Ralser из Department of Biochemistry Кембриджского университета, возглавляющего исследования, результаты показывают, что последовательности реакций, которые напоминают два ведущих каскада реакций метаболизма — гликолиз и пентозофосфатный путь — возможно, спонтанно протекали в древних океанах нашей планеты.
Он отмечает, что в реконструированной версии древнего океана эпохи архея эти метаболические реакции были особенно чувствительны к наличию двухвалентного железа, которого было в изобилии в ранних океанах, что ускоряло протекание многих химических реакций.
Условия пребиотического моря были реконструированы на основе анализа состава различных древних океанических отложений, описанного в научной литературе, который идентифицирует растворимые формы железа в качестве одних их наиболее часто встречающихся молекул в пребиотических океанах.
По словам соавтора исследований Alexandra V Turchyn из Department of Earth Sciences Кембриджского университета, учёные убеждены в том, что самые ранние океаны не содержали кислород, поэтому любое железо растворялось бы в них. Поэтому, вполне возможно, что концентрации железа в древних океанах были достаточно высоки, полагает Turchyn
Различные метаболиты выходят из инкубационного периода при температуре в 50 — 90 С, следовательно, нечто подобное могло происходить вблизи гидротермальных источников океанических вулканов, то есть без какой-либо связи с традиционными белковыми ферментами. Химические продукты разграничивались и анализировались посредством жидкостной хроматографии тандемной масс-спектрометрии.
Некоторые из наблюдаемых реакций также могли протекать в воде, но при этом они были ускорены присутствием металлов, выполняющих роль катализаторов. По словам Ralser, в присутствии железа и прочих соединений, содержащихся в океанических осадках, наблюдалось порядка 29 химических реакций, подобных метаболическим, в том числе те, которые производят некоторые из основных химических веществ метаболизма, например, РНК.
Результаты исследований указывают на то, что архитектура современной метаболической сети могла образоваться из химических и физических ограничений, существовавших на пребиотической Земле.
Тем не менее, как первые ферменты приняли катализируемые металлом реакции, описанные учёными, исследователям ещё предстоит установить.
