Два рождения жизни: как металлы из гидротермальных источников заменили ферменты первым клеткам

Представьте гипотетического путешественника во времени, который переносится на четыре миллиарда лет назад и наблюдает за первыми клетками, возникающими в гидротермальных источниках на дне океана. Что бы он увидел? Биолог Наталья Мрнявац (Natalia Mrnjavac), аспирантка Института молекулярной эволюции при Университете Дюссельдорфа, уверена: он стал бы свидетелем появления двух совершенно разных типов клеток — бактерий-пионеров и архей-пионеров, которые делали первые попытки выжить за пределами гидротермального источника. Мрнявац — первый автор нового исследования, опубликованного в журнале Science Advances.

Международная команда исследователей под руководством профессора Уильяма Мартина (William Martin), директора Дюссельдорфского института, задалась вопросом: как именно выглядел метаболизм на самых ранних этапах эволюции, ещё до появления свободноживущих клеток? Учёные сравнили геномы, структуры белков и химические реакции, которые могли пролить свет на эти древнейшие фазы микробной эволюции. «Эти сравнения позволяют нам заглянуть в ту фазу эволюции, когда ферментативный метаболизм развивался из спонтанных реакций, катализируемых металлами в земной коре», — поясняет Мартин, выступивший последним автором работы.

Подход команды принципиально отличается от прежних исследований ранней эволюции. Вместо того чтобы изучать отдельные гены или белки, учёные рассмотрели полный набор химических реакций, с помощью которых клетки производят строительные блоки жизни — аминокислоты, основания РНК и витамины — из соединений, доступных на ранней Земле: водорода, аммиака и углекислого газа. Всего таких реакций 420, и все они до сих пор встречаются в современных клетках — они «универсально консервативны», как и генетический код.

Неожиданный вывод: половина метаболизма LUCA — без ферментов

Ключевой результат исследования удивил самих авторов. «Удивительно, но ферменты, катализирующие эти реакции, не сохраняются через эволюционную пропасть, разделяющую бактерии и археи. Мы обнаружили, что LUCA — последний универсальный общий предок всех клеток — обладал ферментами лишь примерно для половины метаболических реакций. Другую половину катализировали металлы из окружающей среды», — рассказывает Мартин.

Это открытие переворачивает привычное представление о том, что жизнь с самого начала опиралась на сложные белковые катализаторы. Оказывается, на заре эволюции роль ферментов успешно выполняли неорганические вещества. «Металлы, которые естественным образом встречаются в гидротермальных источниках, могут заменять удивительно большое количество ферментов в метаболизме», — подтверждает соавтор исследования доктор Харун Тюйсюз (Harun Tüysüz), химик из Института исследования угля Общества Макса Планка и Института материалов IMDEA в Мадриде.

Профессор Джозеф Моран (Joseph Moran) из Университета Оттавы в Канаде, изучающий способность металлов катализировать метаболические реакции вместо ферментов и кофакторов, формулирует вывод ещё более радикально: «Чем внимательнее мы смотрим, тем яснее видим, что ранняя биохимическая эволюция была смесью ферментативных и металлических катализаторов. LUCA имел гибридный метаболизм, который наполовину катализировался металлами, а наполовину — ферментами».

Четыре этапа эволюции катализа

Авторскому коллективу впервые удалось реконструировать четыре фазы ранней эволюции катализа. Всё началось с чисто металлических реакций — в гидротермальных источниках, где металлы земной коры выступали естественными катализаторами. Затем появился гибридный метаболизм LUCA, сочетавший металлы и ферменты. И наконец, эволюция разделилась на две ветви, ведущие к предкам бактерий и архей. В каждой из этих линий независимо возникли новые ферменты, которые постепенно заменили неорганические катализаторы, изначально предоставленные окружающей средой.

Особенно интересно то, что бактерии и археи шли к этой цели разными путями. «Мы наблюдаем случаи, когда предки бактерий и архей независимо друг от друга развили структурно различные ферменты, которые, тем не менее, катализируют одну и ту же важнейшую метаболическую реакцию. Такие параллельные изобретения, возможно, проложили путь к независимому возникновению свободноживущих бактерий и архей», — объясняет Мрнявац.

Энергетическая загадка: фосфит и палладий вместо АТФ

Отдельный вопрос — откуда ранние организмы брали энергию для метаболических реакций. Сегодня эту роль выполняет сложная молекула АТФ, но для её синтеза нужны ферменты, которых в гидротермальных источниках тогда не существовало. Исследователи нашли неожиданное решение этой проблемы.

«Мы идентифицировали новый источник энергии метаболического происхождения: фосфит и палладий», — говорит Манон Шликкер (Manon Schlikker), ещё одна аспирантка из Дюссельдорфа. Палладий — металл, который естественным образом встречается в гидротермальных источниках и является превосходным катализатором. Когда фосфит — фосфорное соединение, также присутствующее там, — вступает в реакцию с органическими соединениями метаболизма, в воде происходят метаболические реакции фосфорилирования. «Фосфит и палладий могут заменить АТФ и ферменты — это новое и важное открытие для понимания ранней эволюции», — подчёркивает Шликкер.

Кстати, мы уже писали о том, что жизнь на Земле могла зарождаться дважды: металлы вполне могли заменять ферменты первым клеткам — и вот теперь это предположение получило серьёзное подтверждение в виде конкретных химических механизмов (жизнь на Земле зарождалась дважды: металлы заменили ферменты первым клеткам).

Математика древнего метаболизма

Исследование стало первым целенаправленным изучением всего комплекса реакций, известного как метаболизм, — сильно разветвлённой сети из 420 реакций, в которой многие соединения участвуют сразу в нескольких процессах. Для математического описания этой сети привлекли профессора Майка Стила (Mike Steel) из новозеландского Университета Кентербери и профессора Даниэля Хусона (Daniel Huson) из Тюбингенского университета. Они разработали новый метод упорядочивания метаболических реакций — от самых простых к самым сложным.

«Мы смогли математически доказать, что существует однозначный порядок, в котором можно выстроить метаболические реакции. Это позволило нам создать алгоритм для упорядочивания реакций в сети», — рассказывает Стил. Без такого алгоритма невозможно было бы определить, какие реакции могли существовать на ранних этапах, а какие появились позже.

Один генетический код — два рождения жизни

Вопрос о происхождении жизни — один из фундаментальных в человеческом существовании. Новое исследование добавляет важный фрагмент к пониманию того, как выживали первые клетки. Профессор Мартин формулирует итог жёстко и парадоксально: «Новые данные позволяют сделать только один вывод: бактерии и археи независимо друг от друга совершили переход от гидротермальных источников к свободноживущему состоянию, причём только свободноживущие клетки по-настоящему живы. Если говорить прямо: существует одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни».

Это означает, что привычное представление о едином древе жизни, где все организмы происходят от одной точки, нуждается в серьёзной корректировке. LUCA был не столько «первой клеткой», сколько переходным звеном — гибридным организмом, который ещё не мог существовать вне гидротермального источника, но уже нёс в себе генетический код, общий для всех последующих форм жизни.

Участники и контекст

В исследовании, помимо учёных из Университета Дюссельдорфа, участвовали специалисты из университетов Кентербери (Новая Зеландия), Марбурга, Ростока, Констанца, Оттавы (Канада), Страсбурга и Тюбингена, а также Института наземной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Института исследования угля в Мюльхайме-на-Руре и Института материалов IMDEA в Мадриде.

Для контекста: биологи делят формы жизни на две категории — эукариоты, обладающие клеточным ядром, и более древние линии без ядра — прокариоты. К прокариотам относятся две изначальные линии жизни: бактерии и археи. Многие прокариоты способны выживать в экстремальных условиях — при высоких температурах, в кислой или щелочной среде. Многие из них обитают у гидротермальных источников на морском дне, где, согласно некоторым теориям, и зародилась жизнь.

Работа опубликована в Science Advances под заголовком «Промежуточные стадии происхождения метаболизма у фосфорилирующего гидротермального источника» (Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent). DOI: 10.1126/sciadv.aef3128.

Остаётся открытым вопрос: если жизнь действительно возникала дважды — и в каждом случае по-своему, — не значит ли это, что подобные сценарии возможны и за пределами Земли? Ведь условия гидротермальных источников, где металлы делали работу ферментов, могли существовать и на других планетах с жидкой водой. Возможно, когда-нибудь мы найдём подтверждение этой гипотезы — и тогда придётся признать, что жизнь во Вселенной не такая уж редкость. А пока учёные продолжают всматриваться в химические реакции, которые четыре миллиарда лет назад дали старт всему живому.