Oamenii de știință au descoperit dovezi care indică două origini ale vieții pe Pământ

Toată viața de pe Pământ folosește același cod genetic străvechi. Și totuși, viața însăși ar fi putut începe de două ori. Urmărind de unde provin enzimele în momentul în care arborele vieții s-a despărțit pentru prima dată în bacterii și arhee, o echipă internațională a găsit dovezi că cele două ramuri ar fi devenit celule autonome independent una de cealaltă.

Unde și cum a apărut viața pentru prima dată pe Pământ sunt întrebările aflate în centrul cercetărilor desfășurate la Institutul de Evoluție Moleculară al Universității Heinrich Heine din Düsseldorf (HHU). În revista Science Advances, echipa condusă de biologi din Düsseldorf răspunde la două întrebări legate între ele: ce reacții chimice foloseau primele celule ca să-și fabrice ingredientele de bază ale vieții și de unde luau energia necesară pentru a le pune în mișcare.

Cu aproximativ 4 miliarde de ani în urmă, Pământul arăta foarte diferit de planeta de astăzi. Dacă am putea asista la apariția primelor celule, potrivit scenariului propus de cercetători, am vedea nu una, ci două forme distincte de viață celulară primitivă.

„Am vedea apariția a două tipuri foarte diferite de celule, bacteriile pionier și arheele pionier, care fac primele încercări de a trăi dincolo de granițele unui izvor hidrotermal”, a spus Natalia Mrnjavac, biolog la Universitatea din Düsseldorf și prima autoare a noii publicații din Science Advances.

Mrnjavac și echipa internațională au examinat genomuri, structuri proteice și reacții chimice pentru a investiga unele dintre cele mai timpurii etape ale evoluției microbiene, inclusiv perioada anterioară apariției celulelor cu viață complet liberă.

„Aceste comparații ne oferă perspective fără precedent asupra fazei evoluției în care metabolismul catalizat de enzime a început să se dezvolte din reacții spontane catalizate de metale din scoarța terestră”, a spus biologul din Düsseldorf William Martin, coordonatorul studiului.

Strămoșul tuturor celulelor avea enzime doar pentru jumătate din reacții

În loc să se concentreze doar pe anumite părți ale metabolismului primitiv, cercetătorii au examinat ansamblul reacțiilor chimice pe care celulele le folosesc pentru a produce componente biologice esențiale — aminoacizi, baze de ARN și vitamine — din materialele disponibile pe Pământul primitiv, între care hidrogen gazos, amoniac și CO₂.

Împreună, aceste 420 de reacții chimice formează rețeaua cunoscută sub numele de metabolism. Reacțiile în sine sunt extrem de vechi și sunt conservate în toate formele de viață într-o măsură comparabilă cu codul genetic.

Surpriza a venit din altă parte: enzimele responsabile de desfășurarea acestor reacții nu prezintă același grad de conservare între bacterii și arhee.

„Surpriza constă în faptul că enzimele care catalizează aceste reacții nu sunt conservate peste bariera evolutivă care separă bacteriile de arhee. Am descoperit că ultimul strămoș universal al tuturor celulelor, LUCA, deținea enzime doar pentru aproximativ jumătate din reacțiile metabolice. Cealaltă jumătate era catalizată de metalele din mediul în care a apărut LUCA.”, se arată în studiu.

Descoperirea sugerează că metabolismul primitiv depindea mult mai mult de mediul înconjurător decât metabolismul celular modern. Din cele 420 de reacții, aproximativ 210 nu aveau, așadar, nicio enzimă care să le conducă. LUCA semăna cu un atelier care își adusese doar jumătate din unelte, iar restul le împrumuta de la mediul mineral al izvorului hidrotermal în care trăia. Cât timp rămânea acolo, nu ducea lipsă de nimic. Departe de el, ar fi rămas fără jumătate din chimia vieții.

„Metalele care se găsesc în mod natural în izvoarele hidrotermale pot înlocui un număr surprinzător de mare de enzime în metabolism”, a spus Harun Tüysüz, chimist anorganic la Max-Planck-Institut für Kohlenforschung și la Institutul IMDEA Materials din Madrid, coautor al studiului.

„Cu cât analizăm mai atent, cu atât vedem mai clar că evoluția biochimică timpurie a fost un hibrid între catalizatori enzimatici și metalici”, a spus Joseph Moran, de la Universitatea din Ottawa (Canada), unul dintre cercetătorii de vârf în folosirea metalelor ca înlocuitori ai enzimelor și cofactorilor în reacțiile metabolice.

Patru etape, de la catalizatorii metalici la enzime

Una dintre principalele realizări ale studiului a fost reconstituirea a patru etape din evoluția timpurie a catalizei biologice.

Prima etapă pare să fi fost una a reacțiilor conduse în întregime de metale. În a doua, în interiorul LUCA, metalele și enzimele au lucrat împreună. În a treia, bacteriile și arheele au pornit pe drumuri evolutive separate. În a patra, fiecare linie și-a dezvoltat propriile enzime, care au înlocuit treptat catalizatorii anorganici oferiți de mediul în care se născuse metabolismul.

Un aspect important este că cercetătorii au identificat exemple în care bacteriile și arheele par să fi dezvoltat independent enzime diferite, capabile să îndeplinească aceeași sarcină metabolică esențială.

„Putem observa cazuri în care strămoșii bacteriilor și ai arheelor au dezvoltat în mod independent enzime distincte din punct de vedere structural pentru a cataliza aceeași reacție metabolică esențială”, a spus Mrnjavac, „astfel de invenții paralele ar fi putut deschide calea către apariția independentă a bacteriilor și arheelor capabile să trăiască liber”.

Această evoluție paralelă ar fi putut fi decisivă: enzimele proprii le-ar fi permis celor două linii evolutive să depindă tot mai puțin de chimia izvoarelor hidrotermale și, în cele din urmă, să supraviețuiască drept celule independente.

Fosfitul și paladiul ar fi putut ține locul ATP-ului

O altă întrebare majoră se referă la energie. Celulele moderne se bazează în mare măsură pe ATP pentru a alimenta metabolismul, dar ATP-ul este el însuși o moleculă complexă, produsă cu ajutorul enzimelor. Nu ar fi fost pur și simplu disponibil în mod liber în mediile hidrotermale antice.

Cercetătorii au investigat, prin urmare, ce ar fi putut furniza energie înainte de apariția metabolismului bazat pe ATP.

„Am identificat o nouă sursă de energie la originea metabolismului”, a spus Manon Schlikker, din echipa de la Düsseldorf.

Un posibil răspuns implică paladiul, un metal care se găsește în mod natural în izvoarele hidrotermale și pe care chimiștii îl cunosc de aproximativ un secol ca un catalizator eficient.

Echipa a descoperit că fosfitul poate reacționa cu compuși organici în prezența paladiului și poate declanșa reacții de același tip cu fosforilarea din celulele vii. Miza e mare: ATP-ul își poartă energia în „coada” de trei grupări fosfat, iar când cedează una dintre ele eliberează energia care pune în mișcare reacții ce altfel nu s-ar produce de la sine.

„Când punem fosfitul, o formă de fosfor care se găsește în mod natural în izvoarele hidrotermale, să reacționeze cu compuși organici, obținem peste noapte, în apă, reacții de fosforilare metabolică. Fosfitul și paladiul țin locul ATP-ului și al enzimelor. E uimitor și face evoluția timpurie mult mai ușor de înțeles”, a spus Schlikker.

Rezultatul oferă o posibilă explicație pentru modul în care unele dintre cele mai timpurii reacții metabolice ar fi putut obține energia necesară pentru a continua, înainte ca sistemele energetice biologice moderne să evolueze.

O rețea de 420 de reacții, ordonată de la simplu la complex

Cercetarea este primul studiu axat în mod specific pe rețeaua completă de reacții cunoscută sub numele de metabolism.

Această rețea conține 420 de reacții puternic interconectate, iar mulți dintre aceiași compuși participă la mai multe părți ale sistemului. Din cauza acestor conexiuni, reconstituirea modului în care rețeaua s-ar fi putut dezvolta de-a lungul timpului reprezintă o problemă matematică dificilă. Sarcina seamănă cu încercarea de a afla în ce ordine au fost construite străzile unui oraș vechi doar privind harta lui de azi: fiecare intersecție leagă drumuri care ar fi putut apărea în epoci diferite.

Prof. Mike Steel, de la Universitatea din Canterbury din Noua Zeelandă, și prof. Daniel Huson, de la Universitatea din Tübingen, au adus în proiect expertiza lor în analiza rețelelor complexe.

Cei doi au dezvoltat o metodă care le-a permis cercetătorilor să ordoneze reacțiile metabolice de la cele mai simple la cele mai complexe. Secvența rezultată ar putea reflecta, cel puțin parțial, ordinea în care aceste reacții au apărut în primele etape ale evoluției biologice.

„Prima întrebare”, a spus Steel, „este dacă există sau nu o ordine unică pentru aceste reacții. Odată ce am putut demonstra că există una, algoritmul de ordonare a acestora a devenit gestionabil.”

Un singur cod genetic, două drumuri spre viața liberă

Toate aceste piese duc spre aceeași întrebare: enzimele inventate de două ori, metalele care le țineau locul celorlalte, fosfitul în locul ATP-ului. Cum au ajuns primele celule să trăiască pe cont propriu?

Potrivit cercetătorilor, implicația mai largă a descoperirilor lor este că bacteriile și arheele nu au făcut împreună tranziția către viața celulară independentă. Fiecare linie evolutivă pare să fi ajuns separat la starea de viață liberă.

„Noile date permit o singură concluzie. Linia bacteriană și cea arheică au făcut tranziția către starea de viață liberă în mod independent. Numai celulele cu viață liberă sunt vii. Să spunem lucrurilor pe nume: avem de-a face cu o singură origine a codului genetic, dar cu două origini ale vieții.”

Pe lângă cercetătorii de la HHU, echipa internațională a inclus oameni de știință de la Universitățile din Canterbury (Noua Zeelandă), Rostock, Constance, Ottawa (Canada), Strasbourg și Tübingen, de la Institutul Max Planck pentru Microbiologie Terestră din Marburg și de la Max-Planck-Institut für Kohlenforschung din Mülheim/Ruhr, precum și de la Institutul IMDEA Materials din Madrid (Spania).

Bacteriile și arheele, cele două ramuri primordiale ale vieții celulare

Biologii împart viața celulară, în linii mari, în două categorii. Eucariotele sunt celule mai complexe, care conțin un nucleu, în timp ce liniile celulare mai vechi, fără nucleu, sunt cunoscute sub numele de procariote.

Procariotele alcătuiesc cele două ramuri primordiale ale vieții: bacteriile și arheele. Multe dintre aceste organisme sunt capabile să supraviețuiască în condiții extreme, inclusiv la temperaturi foarte ridicate și în medii puternic acide sau alcaline.

Multe trăiesc și în jurul izvoarelor hidrotermale de pe fundul oceanului — medii pe care unele teorii le identifică drept posibile locuri în care a apărut viața pentru prima dată. Dacă scenariul propus de echipa din Düsseldorf se confirmă, microbii care trăiesc azi lângă aceste izvoare sunt urmașii a două ramuri care au învățat, fiecare pe cont propriu, să le părăsească.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU