Kiderült, mit evett mindannyiunk közös őse

Illusztráció

Áttekintve azt a 402 kémiai reakciót, amely valamennyi mai élőlényben megtalálható, arra következtethetünk, hogy mindannyiunk közös ősének a hidrogén volt az energiaforrása.

Hogyan indultak be az élet hajnalán az első kémiai reakciók, és mi szolgált nekik energiaforrásul? Az evolúcióbiológia a Last Universal Common Ancestor (Utolsó Univerzális Közös Ős) kifejezésből alkotott LUCA betűszóval hivatkozik arra a hipotetikus lényre, amely valamennyi mai földi élőlény utolsó közös őse volt, vagyis amitől valamennyien származunk, a kólibaktériumtól a tölgyfán át az emberig. A düsseldorfi Heinrich Heine Egyetem (Heinrich-Heine-Universität, HHU) kutatói most egy nagyszabású munka keretében rekonstruálták a LUCA anyagcseréjét.

Megállapították, hogy szinte minden olyan kémiai reakció, amelyet e kezdetleges élőlény a biológiai építőkövek szintéziséhez felhasznált, energiafelszabadulással jár.

A reakcióhálózat áttekintésével végre azonosították azt a végső energiaforrást, amely az egész láncolatot meghajtja, s mint kiderült, a megfejtés úgyszólván a lábunk előtt hevert. Az élet építőköveit felépítő kémiai reakciók energiaforrása nem kívül keresendő, hanem része magának a metabolikus hálózatnak, feltéve, hogy egy fontos kiindulóanyagot beleveszünk a körbe.

A titkos összetevő, amely az élet keletkezésekor minden energia ősforrásaként szolgált, nem más, mint a legtisztább és legzöldebb, a legújabb és egyben a legrégibb energiahordozó: a hidrogéngáz.

William Martin professzor és kutatócsoportja a HHU Molekuláris Evolúciós Intézetében azt vizsgálja, hol és hogyan keletkezett az élet az ősi Földön. Kísérletes megközelítéseket és tisztán számítógépes modelleket egyaránt alkalmaznak. Laboratóriumi kísérleteikben a hidrogén és a széndioxid közötti reakciókat vizsgálják olyan katalizátorok jelenlétében és olyan körülmények közt, amelyek a tengermélyi hőforrásokra jellemzők. A számítógépen pedig egyfajta molekuláris régészetet űznek, melynek során a fehérjékben, a DNS-ben és a modern sejtek kémiai reakcióiban megőrzött információ alapján próbálják a kezdetleges élet nyomait visszakövetni.

Illusztráció Forrás: BSIP

Most megjelent munkájukban azt a kérdést járják körül, hogy milyen kémiai környezet táplálhatta azokat a kémiai reakciókat, amelyekből az anyagcsere, majd később maga a LUCA összeállt, és hogy honnan származott az az energia, amely meghajtotta ezeket a reakciókat. Ennek kiderítéséhez nem a géneket kezdték vallatni, hanem a mai élő szervezetekben zajló kémiai reakciókat. Összesen 402 olyan kémiai reakciót azonosítottak, amelyek az élet hajnala óta, vagyis nagyjából 4 milliárd éve lényegileg változatlanok. Mivel ezek a reakciók minden ma élő szervezet sejtjeiben közösek, szükségszerűen jelen kellett lenniük mindannyiunk közös ősében, a LUCA-ban is, és sok mindent elárulnak arról, hogyan kezelte a kezdetleges élet az anyagcserén belül az energiát, és honnan szerezte az energiát, amely üzemanyagul szolgált ezekhez a reakciókhoz.

Jessica Wimmer, az intézet doktorandusz hallgatója és a cikk vezető szerzője legfőképpen a LUCA anyagcserefolyamatainak energiamérlege iránt érdeklődött, hiszen minden életformának szüksége van valamilyen energiaforrásra. Elkészítette hát annak a 402 reakciónak a katalógusát, amelyet a ma élő legegyszerűbb és legősibb típusú sejtek, a baktériumok és az archaeák az alapvető molekuláris építőköveik – a 20-féle aminosav, a DNS- és RNS-bázisok, illetve az anyagcseréhez nélkülözhetetlen 18-féle vitamin (enzim-kofaktor) – szintéziséhez használnak. A modern sejtek legegyszerűbbjeiben és Wimmer számítógépes modelljeiben ezek a vegyületek olyan szimpla alapanyagokból állnak elő, amelyek nemcsak a mai környezetben, de az ősi Föld hidrotermális kürtőiben is jelen voltak, ezek pedig a hidrogén, a széndioxid és az ammónia. A munka eredményeképpen kirajzolódott a LUCA anyagcserehálózata.

„Szerettük volna megérteni, honnan jött az az energia, amely a kezdetleges anyagcsere reakcióit előrehajtotta. Valamikor 4 milliárd évvel ezelőtt, amikor az anyagcsere kémiai folyamatai megindultak, nem léteztek még fehérjék vagy egyéb enzimek, amelyek katalizálhatták volna ezeket a reakciókat, hiszen még nem alakította ki őket az evolúció – magyarázza Wimmer arra a kérdésre válaszul, milyen problémák megoldása motiválta a kutatásukat. – Az anyagcserének tehát olyan reakciókból kellett kiindulnia, amelyek az adott környezetben spontán, esetleg szervetlen katalizátorok segítségével végbe tudtak menni. De katalizátorral vagy anélkül, csak azok a reakciók mehettek végbe spontán, amelyek energiát szabadítottak fel. Azonban az energiát valahol be is kell táplálni. Az irodalomban számtalan javaslatot olvashatunk a metabolikus energia lehetséges forrására vonatkozóan, de senki se tekintette át magukat az anyagcserefolyamatokat, hogy rátaláljon erre." Hogy kikutassák az energia forrását az anyagcserefolyamatok hálózatában, Wimmer és munkatársai kiszámították az egyes reakciókkal járó ún. szabadenergia-változást, amit a fizikai kémia Gibbs-függvénynek vagy ΔG-nek szokott nevezni.

Az eredmény talán meglepő, de a LUCA anyagcseréjének nem volt olyasfajta külső energiaforrásra szüksége, mint amilyet az UV-fény, a meteoritbecsapódások, a vulkánkitörések vagy a radioaktivitás tudott volna szolgáltatni. Ellenkezőleg, egy olyan környezetben, amilyet a mai mélytengeri hidrotermális kürtők körül is megtalálunk, az anyagcsere reakcióit meghajtó energia magából az anyagcseréből származik. Másképp fogalmazva, a LUCA metabolikus reakciói csaknem kivétel nélkül olyanok, hogy maguktól energiát szabadítanak fel, így az élethez szükséges energia magából az életből ered.

Ez izgalmas, mert a központi anyagcsere 400 egymással összefüggő reakciója, ami első látásra annyira reménytelenül komplexnek tűnik, alaposabban megvizsgálva magától, természetes módon kibontakozik, ha a megfelelő körülmények fennállnak"

– fogalmazott Martin professzor, a tanulmány vezető szerzője.

A kutatók a különböző környezeti viszonyokat szimuláló számítógépes programok segítségével megvizsgálták a 402 elemi reakció energetikáját, hogy elválasszák az energetikailag kedvező kombinációkat a kedvezőtlenektől. A környezet beépítése a modellbe azért lényeges, mert az, hogy egy reakció energetikailag kedvező vagy kedvezőtlen, gyakran a körülményektől függ. Végigpróbálgatták a kémhatás teljes skáláját az extrém savas pH 1-től az extrém lúgos pH 14-ig, a hőmérsékleteket 25°C-tól 100°C-ig, és a reaktánsok és termékek különböző arányait. Különös figyelmet szenteltek a hidrogén energetikai szerepének.

Hidrogén nélkül abszolút semmi sem történik, ugyanis a hidrogén kell ahhoz, hogy a széndioxidba beépült szenet egyáltalán behozza az anyagcserébe"

– szögezte le Wimmer.

Mint kiderült, az energetikailag legkedvezőbb környezeti viszonyok lúgosak, pH 9 környékén, a hőmérsékleti optimum 80°C körül alakul, a hidrogén pedig nélkülözhetetlen a szén megkötéséhez. „Ezek majdnem hajszálra ugyanazok a viszonyok, amilyeneket a Közép-Atlanti-hátság hidrogént kibocsátó hidrotermális mezőin, például Lost City-nél találunk – helyezi kontextusba az eredményeket Martin. – Ilyen körülmények között a LUCA anyagcsere-reakcióinak mintegy 95-97%-a spontán végbemegy, vagyis semmilyen további energiaforrást nem igényel. A mélységi hidrotermális rendszerek örök sötétjében a hidrogén egyfajta kémiai napsugárzásként működik. A modern energiakutatás a hidrogénnek pontosan ugyanazokat a tulajdonságait próbálja kiaknázni, mint az élet maga. A különbség mindössze annyi, hogy az életnek 4 milliárd éves tapasztalata van a hidrogéntechnológia terén, mi pedig csak most kezdtünk hozzá."

„Ami az élet kezdeteinek energiaforrását illeti, kimondható, hogy a tiszta kémiai energia elégséges volt – foglalta össze Wimmer. –

Nem volt szükség se napfényre, se meteoritokra, se UV-sugárzásra, szimplán csak hidrogénre és széndioxidra, meg némi ammóniára és szervetlen sókra.

Köszönhetően annak, hogy a bioszintetikus reakcióhálózatunk extrém mértékben megőrződött az idők során, még ma is érdekes bepillantást nyerhetünk a LUCA-t létrehozó kémiai reakciók részleteibe, noha négymilliárd év választ el tőle bennünket."