Джерелом енергії для найдавнішого життя міг служити ацетилфосфат

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 54

Ріс. 1. Хімічні сполуки, згадані в статті (плюс метилтиоацетат, про який раніше думали, що він перетворюється на ацетилфосфат, але це не підтвердилося). Відповідно до правил спрощеного накреслення органічних формул, кожен куточок у кожній формулі відповідає атому вуглецю (C). Ілюстрація з обговорюваної статті в Origins of life and evolution of biospheres

Всі без винятку живі клітини потребують аденозинтрифосфату (АТФ) — речовини, молекули якої служать головною «енергетичною валютою» сучасного життя. Однак АТФ — молекула досить складна, і малоймовірно, що еволюція енергетичних механізмів найдавнішого життя почалася прямо з неї. Група біохіміків на чолі з відомим англійським вченим Ніком Лейном вважає, що на зорі життя головною «енергетичною валютою» міг служити ацетилфосфат, молекула якого, влаштована набагато простіше, підходить на цю роль за низкою властивостей.

Автотрофи чи гетеротрофи?

У XX столітті дискусії про походження життя були переважно суто теоретичними. Знаменитий експеримент Міллера — Юрі, який довів можливість мимовільного синтезу компонентів білків з простих молекул, так і залишився блискучим, але за великим рахунком поодиноким досягненням; інших же джерел нових даних протягом багатьох десятиліть просто не було (хіба що дослідження хімічного складу вуглистих метеоритів, але вони тоді з різних причин «не робили погоди» в науці). Залишалося тільки міркувати. І одним з улюблених предметів міркувань в ту пору стало питання: чи були найперші живі істоти автотрофними або гетеротрофними?

Як відомо, гетеротрофними називаються організми, яким для виживання необхідні готові органічні речовини (наприклад, цукру, амінокислоти або спирти). Автотрофні організми можуть абсолютно самостійно синтезувати органічні речовини з дуже простих молекул — як правило, з вуглекислого газу. Питання в тому, який з цих двох типів обміну речовин з’явилося першим.

У XX столітті переважала думка, що перші живі істоти були гетеротрофами. Передбачалося, що вони харчувалися так званим «первинним бульйоном» — розчиненою у воді органікою, яка в надлишку утворилася на стародавній Землі в результаті процесів, частково змодельованих у тому самому знаменитому експерименті Міллера. І тільки потім з’явилися автотрофи, які освоїли досить складну «технологію» самостійного синтезу органіки з вуглекислоти. Правда, на противагу цьому іноді розглядалася ідея, що автотрофний і гетеротрофний способи життя повинні були виникнути строго одночасно, тому що інакше не вдалося б замкнути глобальний кругообіг вуглецю (див. К. Ю. Єськов, 2000. «Історія Землі і життя на ній»). Адже на сучасній Землі концентрація вуглекислоти залишається відносно постійною саме завдяки одночасному існуванню автотрофів і гетеротрофів: перші витрачають вуглекислий газ на будівництво складних молекул, зате другі — видихають його, повертаючи в атмосферу.

У XXI столітті всі ці загальні міркування відійшли на другий план. І не дивно: адже на початку нашого століття наука про походження життя буквально пережила друге народження. На сторінки наукових журналів — так і хочеться додати: «на очах у здивованої публіки» — хлинув потік абсолютно нових фактів, відкритих частиною в ході хімічних експериментів (див., наприклад: Хіміки подолали головну перешкоду на шляху до абіогенного синтезу РНК, «Елементи», 18.05.2009), а частиною в результаті читання геномів різних сучасних живих істот (див., наприклад: Розширення білкового всесвіту триває, «Елементи», 24.05.2010). Тим самим на багато (хоча, звичайно, і не на всі) важливі питання стало можливо отримувати суто документальні відповіді. Вже зазначалося, що сукупність геномів нині живучих організмів має властивості справжнього літопису, що зберігає безліч слідів історичних подій всередині якоїсь впорядкованої багатошарової структури (див. архаїчні гени кісткових ганоїдів різноманітніші, ніж у більш молодих груп хребетних, «Елементи», 11.07.2016). Причому глибина цього «літопису» вимірюється мільярдами років — а значить, в ньому в принципі можна знайти відповіді і на питання, що стосуються походження життя. Треба тільки, щоб ці питання задавалися грамотно.

Ось приклад такого грамотного питання: який тип обміну речовин був у загального предка всіх сучасних живих клітин — у безумовно реально існуючого організму, який в сучасній науковій літературі зазвичай називається LUCA? Це скорочення розшифровують двома способами: Last universal common ancestor (останній універсальний загальний предок) або Last cellular common ancestor (останній клітинний загальний предок); другий варіант точніше, але вживається чомусь рідше. Так чи інакше, прямо «від Луки» всі клітинні організми розділилися на два гігантських еволюційних стволи, які називаються бактеріями і археями (рис. 2). Надалі союз між представниками цих стволів породив ще й еукаріот, але то була досить пізніше еволюційна подія, яка вже не мала до походження життя прямого ставлення.

Ріс. 2. Місце «Луки» на еволюційному древі. Ілюстрація зі статті: M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor

«Лука» ж, навпаки, для будь-якої теорії походження життя вкрай важливий. Правда, треба мати на увазі, що поява «Луки» була не початком процесу виникнення життя, а швидше вже навпаки — його кінцем. Але попередні етапи біогенезу не залишили чітких генетичних слідів, тому розібратися в них набагато складніше (про те, що на цю тему все-таки відомо, детально розповідається в книзі Михайла Нікітіна «Походження життя»). А ось від геному «Луки» залишилося досить багато, і у нас є можливість отримати про нього деякі точні дані.

LUCA — свідок першого життя

Отже, що ми знаємо про «Луку»? Перш за все, у нього абсолютно точно був апарат трансляції, приблизно такий же, як і у всіх без винятку сучасних живих клітин. Трансляція — це процес синтезу білка за заданою нуклеотидною послідовністю, для якого потрібні рибосоми, транспортні РНК і кілька десятків спеціальних білків. Вже досить давно відомо, що у «Луки» все це було. Саме тому у всіх сучасних живих організмів апарат трансляції однотипний: він успадкований від загального предка.

А ось який у «Луки» був обмін речовин? Був він гетеротрофом або автотрофом? Іншими словами, чи харчувався він готовою органікою, чи як джерело вуглецю йому вистачало простої вуглекислоти?

У 2016 році вийшла досить цікава стаття, автори якої спробували відповісти на це питання, ґрунтуючись на «генетичному літописі» (M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor). У списку авторів цієї статті на останньому місці, яке в сучасних публікаціях традиційно відводиться головному теоретику і натхненнику всього дослідження, стоїть ім’я Вільяма Мартіна (William Martin), біолога, відомого своїми сміливими, але серйозно обґрунтованими ідеями про ранню еволюцію життя.

Робота Мартіна і його співробітників була досить складною. Здавалося б, у наш час завдання реконструкції спільного предка звелося до чистої техніки: кількість повністю прочитаних геномів різних організмів зараз вимірюється вже тисячами (див., наприклад: Повністю прочитаних геномів тварин вже більше двохсот, «Елементи», 30.12.2015), всього-то і залишається взяти якомога більше геномів як архей, так і бактерій і порівняти їх, скориставшись давно розробленими алгоритмами вирівнювання. Гени, які виявляться у архей і бактерій загальними, повинні бути успадковані від їх загального предка, тобто від того самого «Луки».

На жаль, насправді все далеко не так просто. Фундаментальна проблема, що вкрай ускладнює подібні дослідження, пов’язана з процесом, який називається горизонтальним перенесенням генів (ДПГ). І бактерії, і археї цілком можуть передавати один одному окремі гени не «по вертикалі», тобто від батьків до дітей, а «вбок» — просто від сусіда до сусіда. Є кілька механізмів такого перенесення, і добре відомо, що він можливий навіть між найбільш далекими родичами. Тому навіть якщо якийсь ген знайдений одночасно у бактерій і у архей — цілком можливо, що насправді він виник тільки в одній з цих груп, а друга отримала його шляхом ДПГ. І тоді «Лука» взагалі ні при чому: у нього цього гена не було.

Щоб мінімізувати цю ймовірність, група Мартіна прийняла рішення враховувати тільки ті гени, які є одночасно не менш ніж у двох різних групах бактерій і не менш ніж у двох різних групах архей. Стовідсоткової гарантії, що горизонтальне перенесення не вніс перешкод, це не дає, але надійність результатів все-таки підвищує. Застосувавши цей підхід, дослідникам вдалося виділити 355 білків (і відповідних їм генів), які, ймовірно, були у «Луки». Про що вони свідчать?

Перш за все, деякі виявлені гени (близько 30 штук) пов’язані з механізмом трансляції, який був успадкований від «Луки» всіма живими клітинами без принципових змін. Це — цілком очікуваний результат, який робота групи Мартіна тільки підтвердила. У даному випадку вчених більше цікавили інші гени — ті, що мають відношення до обміну речовин, або, кажучи одним словом, до метаболізму.

Огляд цих генів дозволив зробити кілька важливих висновків. Перш за все, немає ніяких свідчень, що у «Луки» були ферменти, потрібні для гетеротрофного харчування. Це означає, що — всупереч усім міркуванням на цю тему — гетеротрофом «Лука» не був.

А ось ферменти для автотрофного харчування (точніше, кодуючі їх гени) в реконструйованому геномі «Луки» є! Правда, це зовсім не та автотрофність, яку ми зазвичай бачимо навколо себе. Головні автотрофи у звичній людині світі — зелені рослини, які захоплюють з атмосфери вуглекислий газ і за допомогою енергії світла синтезують з нього цукор. Такий спосіб харчування називається фотоавтотрофним. «Лука» ним не володів. Він був хемоавтотрофом — організмом, здатним синтезувати з вуглекислоти складні молекули за допомогою енергії неорганічних хімічних реакцій (світло тут не потрібне). У наш час хемоавтотрофним способом харчуються багато бактерії та археї, причому їх хімічні джерела енергії досить різноманітні. Яким же з них користувався «Лука»?

Вільям Мартін і його колеги вважають ймовірним, що «Лука» був або метаногеном, або ацетогеном. Це два близьких один до одного типу метаболізму, які зберігаються і у деяких сучасних мікробів (перший — у метаногенних архей, другий — у клостридій). І метаногени, і ацетогени використовують як джерело живлення вуглекислий газ (CO₂), з якого вони за допомогою водню (H₂) отримують або метан (CH₄), або оцтову кислоту (CH₃COOH). Під час еволюції один з цих типів обміну речовин міг легко перетворитися на інший, тому що ключові реакції в них загальні. Ферменти, що забезпечують ці ключові реакції, якраз і були у «Луки».

Проблема джерела вуглецю

Захоплення живими організмами невеликих молекул (в першу чергу багаторазово згаданого вуглекислого газу) з метою включення їх в обмін речовин прийнято називати фіксацією. Наприклад, зелені рослини постійно фіксують вуглекислоту, використовуючи її для синтезу цукрів та інших складних молекул. Насправді існує кілька різних біохімічних механізмів фіксації вуглекислоти, найдавніший з яких називається шляхом Вуда — Льюнгдаля. Це єдиний спосіб фіксації вуглекислоти, який є і у бактерій, і у архей. Саме на шляху Вуда — Льюнгдаля заснований метаболізм як метаногенів, так і ацетогенів. Не дивно, що ферменти, що забезпечують цей біохімічний шлях, відмінно представлені в реконструйованому геномі «Луки». Можна впевнено припустити, що цим механізмом фіксації вуглекислого газу користувався загальний предок всіх сучасних живих клітин.

Шлях Вуда — Льюнгдаля закінчується утворенням хімічної сполуки, яка називається ацетилкофермент А, або просто ацетил-КоА (рис. 1). Ця досить складна на перший погляд молекула, по суті, являє собою просто-напросто двовуглецевий залишок оцтової кислоти (CH₃-CO-), посаджений на органічний переносник. У свою чергу, з ацетил-КоА можна відносно легко отримати різні карбонові кислоти — дуже потрібні живим організмам речовини (вони, зокрема, формують найважливіший ланцюжок біохімічних реакцій, який називається циклом Кребса).

Чи могла подібна система реакцій — тоді ще не біохімічних, а просто хімічних, — послужити основою найдавнішої переджизні? Це зовсім не виключено. Відомо, наприклад, що багато білків, задіяних у процесі перетворення вуглекислого газу і водню в ацетил-КоА, містять залізосерні (або нікель-залізосерні) кластери — наночастинки мінералів, причому саме тих, які, за деякими гіпотезами, повинні були накопичуватися в відповідних для зародження першого життя геотермальних джерелах. Навряд чи це суто випадковий збіг.

Тут, однак, відразу намічається ряд проблем. Почнемо з «позитивного» висновку: згадані вище карбонові кислоти можуть служити вихідним матеріалом для синтезу біологічно активних сполук, причому дуже різноманітних — амінокислот, нуклеотидів, вуглеводів, ліпідів. Ну а з амінокислот і нуклеотидів, у свою чергу, можна «зібрати» білки і нуклеїнові кислоти — складні молекули, без яких немислима жива клітина. Виходить ланцюжок: вуглекислий газ і водень — шлях Вуда — Льюнгдаля — ацетил-КоА — цикл Кребса — карбонові кислоти — нуклеотиди і амінокислоти — нуклеїнові кислоти і білки. Коли переджизнь, що розвивається, освоїла всю цю послідовність, вона перетворилася на справжнє життя, яке не так вже й сильно відрізняється від сучасної.

Проблема полягає в тому, що цей ланцюжок — хімічний. Всі переходи між її ланками відповідають хімічним реакціям, які повинні були десь і якось запуститися. Треба пам’ятати, що в хімії це обставлено суворими умовами. Кожна реакція (а їх тут насправді набагато більше, ніж можна подумати по нашому короткому перерахуванню) в деякому сенсі подібна до містка, по якому треба перейти, щоб стало можливим все подальше.

Етап, де хімічний «місток» провалюється, — це перехід від кінцевих продуктів циклу Кребса (карбонові кислоти) до більш складних біогенних молекул (нуклеотиди, амінокислоти, вуглеводи, ліпіди). Справа в тому, що карбонові кислоти — речовини з біохімічної точки зору відносно пасивні. У ті реакції, які потрібні для утворення амінокислот та іншого, вони вступають неохоче. У живих клітин є спосіб вирішення цієї проблеми: вони попередньо активують карбонову кислоту, перетворюючи її або в ефір фосфорної кислоти, або в тіоефір — ці сполуки набагато більш реакційноздатні, і з них легше отримати «цільовий продукт». Але сучасні клітини здійснюють такі перетворення за допомогою ферментів — складних білків, для синтезу яких потрібен вже існуючий геном і рибосоми. А ось у давньої переджиття нічого цього не було.

Є серйозні підстави вважати, що стародавня переджиття взагалі синтезувала складні молекули (такі, як нуклеотиди) принципово іншими шляхами, що не мали з вищеописаним ланцюжком нічого спільного. На початку XXI століття хіміки-синтетики стали отримувати з цієї теми вражаючі дані — причому це аж ніяк не «кабінетні спекуляції», а результати відтворюваних експериментів (див., наприклад: Хіміки подолали головну перешкоду на шляху до абіогенного синтезу РНК, «Елементи», 18.05.2009). Виявилося, що з суто хімічної точки зору синтез нуклеотидів цілком може йти мимоволі на основі дуже простих молекул — ціаніду (HC≡N), ціанаміду (NH₂-C≡N), ціаноацетилену (HC≡C-C≡N), формаміду (HCO-NH₂) і деяких інших. Потрібно тільки, щоб на компоненти реакцій діяло ультрафіолетове випромінювання, але вже з цим на стародавній Землі проблем точно не було.

Однак англійського біохіміка Ніка Лейна (Nick Lane) і його колег не цілком влаштовує таке пояснення. Віддаючи належне блискучим досягненням хіміків-синтетиків, вони тим не менш підкреслюють, що сучасне земне життя ніколи не використовує ціанід як джерело вуглецю або азоту. Це означає, що передбачувані стародавні біохімічні шляхи, засновані на ціаніді, і реальні сучасні біохімічні шляхи, засновані на ацетил-КоА, розділені прірвою, яка поки нічим не перекрита. І, таким чином, «виникнення біохімії з геохімії залишається невирішеною проблемою» (цитата з обговорюваної статті Лейна з співавторами).

Молекула-кандидат: пошук…

Лейн і його колеги вважають більш імовірним, що найдавніше життя з самого початку використовувала як джерело вуглецю не ціанід, а вуглекислий газ (якого було предостатньо в атмосфері Землі). Це добре узгоджується з сучасними даними про метаболізм «Луки» і про залізосерні кластери в білках. Але, як ми бачили, на шляху цієї версії виникають деякі хімічні перешкоди. Щоб зрозуміти, як життя, що зароджується, могло б їх обійти, варто ще раз поглянути на картину в цілому.

Обмін речовин усіх без винятку сучасних живих організмів будується навколо двох дуже важливих сполук. Одна з них — це аденозинтрифосфат (АТФ), молекула, яка служить універсальним внутрішньоклітинним джерелом енергії. Друге — вже згадуваний ацетил-КоА. Треба сказати, що і АТФ, і ацетил-КоА — це досить-таки складні молекули, для «складання» яких живим клітинам потрібен набір ферментів, тобто білків, кодованих спеціальними генами. Молекула АТФ складається з п’яти хімічних компонентів (аденін, рібоза і три залишки фосфорної кислоти), а в молекулі ацетил-КоА компонентів, за таким же рахунком, цілих вісім. Загалом, навряд чи саме ці молекули послужили хімічною основою стародавньої переджизні.

При цьому немає сумнівів, що життєво важливі функції як АТФ (перенесення енергії), так і ацетил-КоА (перенесення залишку оцтової кислоти, в якому всього-то два вуглецеві атоми) цілком могли б бути виконані і молекулами, влаштованими набагато простіше. І, звичайно, виникає величезна спокуса спробувати вгадати, що за молекули могли раніше робити цю роботу.

Нік Лейн і його колеги пропонують придивитися до ацетилфосфату. Це з’єднання вважається одним з ймовірних учасників найдавніших «протометаболічних циклів», які передували становленню повноцінного життя (див. наприклад: J. E. Goldford et al., 2017. Remnants of an ancient metabolism without phosphate). Молекула ацетилфосфату містить лише два атоми вуглецю. Складається вона з залишків оцтового і фосфорного кислот, з’єднаних добре знайомою хімікам складноефірним зв’язком. Ацетилфосфат присутній в обміні речовин сучасних організмів (і бактерій, і архей). Розщеплюючись до оцтової і фосфорної кислот, його молекула виділяє енергію приблизно так само, як молекула АТФ. Звідси — один крок до припущення, що колись ці молекули були взаємозамінні. Ацетилфосфат досить простий (з точки зору хімії) і в той же час досить функціональний (з точки зору біології), щоб послужити проміжною ланкою між гео- і біохімією.

Проти цієї гіпотези часто заперечують, вказуючи на те, що молекула ацетилфосфату недостатньо стійка. На цьому запереченні цікаво зупинитися: справа в тому, що Нік Лейн вважає його невірним чисто методологічно. Як вже говорилося, в старовину (тобто в XX столітті) серед біологів панувала «гетеротрофна» теорія походження життя — передбачалося, що органічні молекули століття за століттям накопичувалися в первинному бульйоні до тих пір, поки в результаті перебору більш-менш випадкових комбінацій з них не склалося щось якісно більш складне. Для такої моделі довготривала стійкість органічних молекул дійсно важлива. Якщо ж прийняти «автотрофну» теорію, все починає виглядати інакше (див. наприклад: P. Schonheit et al., 2015. On the origin of heterotrophy). «Автотрофна» теорія розглядає середовище стародавньої переджиття як свого роду хімічний вихор, в якому одні молекули безперервно перетворюються на інші. Тоді стійкість потенційних учасників метаболізму повинна бути не максимальною, а оптимальною: вони повинні бути досить стійкі, щоб існувати якийсь помітний час, і в той же час досить лабільні, щоб без особливого зволікання вступити в чергову реакцію, підтримуючи протометаболічний цикл. Ось з точки зору цього балансу між стійкістю і лабільністю ацетилфосфат цілком міг би виявитися сполукою, ідеально підходящою для перенесення енергії (як виявився їм АТФ, наприклад).

… і експерименти

У наш час гіпотези, що стосуються передбіологічної хімічної еволюції, нічого не варті без експериментальної перевірки. Лейн і його колеги цю перевірку провели, з’ясувавши в результаті наступне:

• Ацетилфосфат легко мимовільно синтезується з ще більш простих попередників (тіоацетату і фосфорної кислоти) в умовах, імовірно відповідних обстановці зародження першого життя. Це тепла вода (20-50 ° C) з реакцією від нейтральної до лужної.
• Молекула ацетилфосфату в таких же умовах зберігає стабільність годинами. Це означає, що її стійкість дійсно оптимальна для проміжного продукту метаболізму (або протометаболізму).
• Ацетилфосфат здатний брати участь у синтезі нуклеотидів. Розщеплюючись і віддаючи залишок фосфорної кислоти, він перетворює рибозу в рібозо-5-фосфат, а аденозин — в аденозинмонофосфат (АМФ); перше — важлива складова частина нуклеотиду, друге — вже цілий нуклеотид.

Крім цих позитивних результатів, були отримані і негативні: всупереч сподіванням дослідників, виявилося, що ацетилфосфат не сприяє полімеризації амінокислот і нуклеотидів, тобто їх «зшиванню» в білки і нуклеїнові кислоти. Додамо, що і в синтезі самих нуклеотидів ацетилфосфат насправді бере участь лише обмежено: прискорити-то він його прискорює, але, судячи з викладених даних, — тільки в тому випадку, якщо головні складові частини нуклеотидів вже є в розчині в готовому вигляді. А ось на роль молекули, що забезпечувала перше життя енергією, ацетилфосфат дійсно підходить.

Лейн і його співробітники підбирали умови експерименту, виходячи з улюбленої ними теорії виникнення життя в лужних гідротермальних джерелах (див Н. Лейн, 2018. «Питання життя»). Проблема в тому, що ця теорія — дуже спірна. Альтернативи їй детально обговорюються в опублікованій на «Елементах» статті Михайла Нікітіна «Різні відповіді на питання життя», тут же наведемо тільки один контрдовод: РНК — ключова для раннього життя складна молекула — нестійка в характерній для джерел згаданого типу лужному середовищі, а стійка, зовсім навпаки, в слабокислій (H. S. Bernhardt, W. P. Tate, 2012. Primordial soup or vinaigrette: did the RNA world evolve at acidic pH?). На щастя, обговорювана робота — у