Metabolizm bez życia?

Metabolizm to cały szereg procesów, które w odpowiedniej sekwencji prowadzą do powstania substancji, niezbędnych komórkom do życia. Do tej pory wydawało się, że te procesy nie mogą zachodzić w tak prymitywnych warunkach. Teraz wygląda na to, że początki życia mogły być naprawdę bardzo proste. Te ścieżki reakcji wydawały nam się do tej pory na tyle złożone, że wręcz niemożliwe do stworzenia na bazie zwykłej chemii - mówi Markus Ralser z Uniwersytetu Cambridge. Jego zdaniem teraz można już jednak spekulować o tym, że mogły pojawić się spontanicznie.

Procesy metaboliczne u różnych organizmów z różnych rejonów świata wyglądają bardzo podobnie, to wskazuje, że musiały pojawić się na bardzo wczesnym etapie ewolucji, nikt jednak nie wie, kiedy dokładnie i jak - mówi Ralster. Przypomina, że w myśl jednej z teorii pierwszym składnikiem życia był kwas RNA, dzięki któremu powstają niezbędne do katalizy tych reakcji enzymy. Inna teoria wskazywała, że to procesy metaboliczne pomogły utworzyć RNA, a komórki później wykorzystały ten mechanizm do własnych celów. Najnowsze odkrycie to pierwszy dowód, że sieć mechanizmów metabolicznych może się pojawić bez RNA.

Odkrycie było dziełem przypadku, podczas rutynowej kontroli jakości pożywki, wykorzystywanej w laboratorium Ralsera do hodowli kultur komórek, jeden ze studentów postanowił poddać nieużywaną próbkę badaniu w spektrometrze masowym. Niespodziewanie pojawił się sygnał pirogronianu, produktu szlaku metabolicznego, zwanego glikolizą.

Badacze z Cambridge postanowili sprawdzić, czy podobny proces mógłby przebiegać w pierwotnym oceanie. Taki ocean pokrywał powierzchnię Ziemi blisko 4 miliardy lat temu. Świat pozbawiony był jeszcze wtedy tlenu, nie było jeszcze fotosyntezy, ocean był zaś bogaty w żelazo, inne metale i fosforany. Do odpowiedniego roztworu dodawano teraz substancje, które dają początek wielu obecnym szlakom metabolicznymi, całość podgrzewano do temperatury od 50 do 70 stopni Celsjusza i... obserwowano, co z tego wyniknie.

Okazało się, że warunki, podobne do obserwowanych obecnie na dnie oceanów w pobliżu tak zwanych kominów hydrotermalnych, mogą prowadzić do pojawienia się produktów całego szeregu reakcji. Cząsteczki obecne w otrzymanych roztworach pokazały, że można tam odtworzyć dwa szlaki metaboliczne praktycznie w całości, to glikoliza i tak zwany szlak pentozofosforanowy. Oba pozwalają otrzymać tak ważne cząsteczki, jak kluczowe w procesach energetycznych ATP, cukry potrzebne do budowy DNA i RNA, czy cząsteczki, które potem przemieniają się w białka, czy kwasy tłuszczowe. W sumie zidentyfikowano cząsteczki, które mogą uczestniczyć aż w 29 reakcjach, katalizowanych prawdopodobnie przez żelazo i inne metale. Jeśli takie procesy przebiegały w pierwotnym oceanie, można sobie wyobrazić, że z chwilą pojawienia się błon komórkowych udało się "zamknąć" je w pierwotnej komórce, a potem, po utworzeniu odpowiednich enzymów, udoskonalić.

Jak pisze na swej stronie internetowej czasopismo "New Scientist", nie wszyscy widzą w tym odkryciu bezpośredni ślad chwili powstania życia. Zdaniem Matthew Pownera z University College London, to owszem istotna wskazówka, co do mechanizmu powstawania złożonych enzymów, ale do wyjaśnienia zagadki życia brakuje choćby informacji, jak miałyby w oceanie powstać te początkowe cząsteczki, choćby glukoza. Tego jeszcze nikt nie wyjaśnił.

Jak zwraca z kolei uwagę Jack Szostak z Uniwersytetu Harvarda, wszelkie zaobserwowane reakcje zachodziły tu tylko w jedną stronę, od substancji bardziej złożonych, do prostszych. To mogłoby sugerować, że wszelkie związki organiczne, nawet gdyby się pojawiły, uległyby rozkładowi. Jego zdaniem, procesy przemiany materii musiały ewoluować we wnętrzu komórek, jedna reakcja po drugiej, z wykorzystaniem różnych substancji katalizujących. Ralster się z tą opinią nie zgadza, jak podkreśla, każda chemiczna reakcja jest odwracalna niezależnie, czy jej katalizatorem jest enzym, czy prosta cząsteczka.