Исследователи из Кембриджского университета (University of Cambridge) разобрались в том, как именно зародились метаболические процессы — каскады реакций, протекающие во всех клетках и обеспечивающие их необходимыми для выживания веществами.

Обмен веществ — это процесс, необходимый для любой жизнедеятельности, и потому знания о его происхождении должны помочь по-новому взглянуть на то, как зародилась первая жизнь на нашей планете. Как выяснилось, для первичного запуска метаболизма потребовалось не так много «ингредиентов».

«Многие считают, что это был очень сложный процесс, — говорит руководитель исследования Маркус Релсер (Markus Ralser). — Но наши результаты показывают, что многие из этих реакций произошли спонтанно в первичном бульоне Земли, благодаря лишь ионам металлов, а не ферментам, которые управляют обменными процессами сегодня. Если вы обратите внимание на метаболизм самых разных организмов со всего мира, то увидите, что цепь реакций выглядит почти одинаково. Должно быть, обмен веществ начался в очень ранней эволюции, но никто точно не знает, когда и как это произошло».

Одна из теорий гласит, что

первым строительным блоком жизни была РНК, так как она помогает производить ферменты, способные катализировать сложные последовательности реакций.

Также существует версия, что сначала появился обмен веществ, и именно он сгенерировал молекулы, необходимые для создания РНК. Последняя гипотеза не получила веских доказательств. Эксперимент учёных из Кембриджа впервые показал, что обменные процессы можно запустить даже в отсутствие РНК.

Открытие произошло случайно во время обычного тестирования контроля качества среды, используемой для культивирования клеток в лаборатории Релсера. Один из его студентов рассмотрел неиспользованные материалы через масс-спектрометр и обнаружил подписи пирувата — конечного продукта метаболического пути под названием гликолиз.

Чтобы проверить, могли ли те же самые процессы породить жизнь на Земле, исследователи пригласили своих коллег, работавших над реконструкцией химии архейского океана, который покрывал планету почти четыре миллиарда лет назад. Это был бескислородный мир из горячей воды богатой железом и другими металлами и фосфатами.

Именно атомы и ионы железа сделали возможными многие ключевые реакции, протекающие сегодня в живых клетках с участием десятков ферментов.

Команда Релсера добавила к полученной субстанции вещества, которые являются отправными точками современных метаболических путей, а затем в течение 5 часов нагревала образцы до 50–70 градусов по Цельсию (подобная температура характерна для гидротермальных жерл). После был проанализирован молекулярный состав образцов.

«Сначала мы надеялись обнаружить одну-две реакции, но результаты оказались просто поразительными, — говорит Релсер. — Мы смогли реконструировать пару метаболических путей почти полностью».

Исследователи реконструировали гликолиз и пентозофосфатный путь — реакции, которые составляют «ядро» метаболизма каждой живой клетки. Вместе эти пути производят одни из самых важных материалов в современных клетках, в том числе аденозинтрифосфат — нуклеотид, который играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах и является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Клетки используют АТФ для формирования ДНК и РНК, а также молекул, необходимых для создания жиров и белков.

Как оказалось, в целом, без использования каких-либо ферментов, с одними лишь микроэлементами, можно выполнить 29 разных биохимических реакций, включая и ту, при которой образуется рибозо-5-фосфат, образующий цепь РНК.

Метаболические пути не идентичны современным, но образуют множество таких же молекул: видимо, с появлением в клетках ферментов пути совершенствовались и улучшались.

Эти исследования показывают, что

ключ к образованию жизни на планете может быть гораздо проще, чем казалось ранее, и жизнь на самом деле более распространена в нашей Солнечной системе и за её пределами.

Подробности исследования были опубликованы в статье издания Molecular Systems Biology.