Pôvod života na Zemi bol dlho záhadou, ktorá vedcom unikala. Hlavná otázka znie: Koľko z histórie života na Zemi sa časom stratilo? Je veľmi bežné, že jeden druh „postupne ukončí“ používanie biochemickej reakcie, a ak sa to stane u dostatočného počtu druhov, život na Zemi môže tieto reakcie účinne „zabudnúť“.

Ale ak je história biochémie plná zabudnutých reakcií, dá sa to nejako zistiť? Táto otázka inšpirovala výskumníkov z Inštitútu vied o Zemi (ELSI) na Tokijskom technologickom inštitúte a Kalifornskom technologickom inštitúte (CalTech) v Spojených štátoch. Verili, že zabudnutá chémia sa objaví ako diskontinuity alebo „prestávky“ na ceste, ktorou chémia prechádza od jednoduchých geochemických molekúl ku zložitým biologickým molekulám.

Raná Zem bola bohatá na jednoduché zlúčeniny, ako je sírovodík, amoniak a oxid uhličitý, molekuly, ktoré sa zvyčajne nespájajú s udržaním života. Ale pred miliardami rokov sa raný život spoliehal na tieto jednoduché molekuly ako na zdroj surovín. Ako sa život vyvíjal, biochemické procesy postupne premieňali tieto prekurzory na zlúčeniny, ktoré existujú dodnes. Tieto procesy predstavujú najstaršie metabolické dráhy.

Aby bolo možné modelovať históriu biochémie, výskumníci ELSI – špeciálne menovaný docent Harrison P. Smith, špeciálne menovaný docent Liam Longo a docent Sean Erin McGlynn v spolupráci s výskumným vedcom Joshuom Goldfordom z Kalifornského technologického inštitútu – potrebovali inventár biochémie. Všetky známe biochemické reakcie, aby sme pochopili typy chémie, ktorých je život schopný.

Obrátili sa na databázu Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, ktorá katalogizovala viac ako 12 000 biochemických reakcií. So spätnou väzbou v ruke začali modelovať postupný vývoj metabolizmu.

Predchádzajúce pokusy modelovať evolúciu metabolizmu týmto spôsobom sústavne zlyhali pri výrobe najrozšírenejších a najkomplexnejších molekúl používaných moderným životom. Dôvod však nebol úplne jasný. Rovnako ako predtým, keď výskumníci spustili svoj model, zistili, že je možné vyrobiť len malý počet zlúčenín. Vyhľadávanie je publikovaný V časopise Ekológia a evolúcia prírody.

Jedným zo spôsobov, ako obísť tento problém, je katalyzovať zastavenú chémiu manuálnym dodávaním čerstvých zlúčenín. Výskumníci zvolili iný prístup: Chceli zistiť, koľko interakcií chýbalo. Ich výskum ich priviedol k jednej z najdôležitejších molekúl v biochémii: adenozíntrifosfátu (ATP).

ATP je energetická mena bunky, pretože sa môže použiť na katalyzovanie reakcií – ako je vytváranie bielkovín – ktoré sa nevyskytujú vo vode. ATP má však jedinečnú vlastnosť: reakcie, ktoré tvoria ATP samotné, vyžadujú ATP. Inými slovami, ak už ATP neexistuje, v dnešnom živote neexistuje iný spôsob, ako ATP vyrobiť. Táto cyklická závislosť bola dôvodom, prečo sa model zastavil.

Ako sa dá tento „úzky profil ATP“ vyriešiť? Ako sa ukázalo, reaktívna časť ATP je pozoruhodne podobná anorganickej polyfosfátovej zlúčenine. Umožnením reakcií generujúcich ATP používať polyfosfát namiesto ATP – úpravou celkovo iba ôsmich reakcií – možno dosiahnuť takmer celý súčasný základný metabolizmus. Výskumníci potom môžu odhadnúť relatívny vek všetkých bežných metabolitov a klásť špecifické otázky o histórii metabolických dráh.

Jednou z takýchto otázok je, či sú biologické cesty postavené lineárnym spôsobom – jedna reakcia za druhou sa pridáva sekvenčným spôsobom – alebo či sa interakcie dráh javia ako mozaika, kde sa navzájom spájajú interakcie veľmi odlišného veku, aby vytvorili niečo nové. . Vedci to dokázali zmerať a zistili, že oba typy dráh sú takmer rovnako bežné vo všetkých metabolických procesoch.

Ale späť k otázke, ktorá inšpirovala túto štúdiu: Koľko biochémie sa časom stratí? „Možno sa to nikdy presne nedozvieme, ale náš výskum poskytol dôležité vodítko: na preklenutie priepasti medzi geochémiou a biochémiou je potrebných len osem nových reakcií, ktoré všetky pripomínajú bežné biochemické reakcie,“ hovorí Smith.

„To nedokazuje, že oblasť chýbajúcej biochémie je malá, ale ukazuje to, že aj reakcie, ktoré zanikli, môžu byť znovu objavené prostredníctvom záchytných bodov, ktoré zanechala moderná biochémia,“ uzatvára Smith.