Nevyřešené tajemství původu života: Nová strategie

Přes roky pokroku zůstává původ života jednou z nejtrvalejších záhad vědy.

„Nejdůležitějším rysem biologie je, že živé věci se skládají z buněk, kterými předáváte genetickou informaci DNA„Používají proteinové enzymy k posílení svého metabolismu, a to vše se objevilo prostřednictvím specifických procesů ve velmi rané evoluční historii,“ říká Aaron Goldman, odborný asistent biologie na Oberlin College. „Pochopení toho, jak se tyto základní biologické systémy poprvé vytvořily, nám nejen poskytne pohled na to, jak život funguje na základní úrovni, ale co život ve skutečnosti je na prvním místě a jak ho můžeme hledat mimo Zemi.“

Otázka, jak se život poprvé objevil, je obvykle studována prostřednictvím laboratorních experimentů, které simulují prostředí rané Země a hledají chemii, která by mohla vytvořit stejné druhy biomolekul a metabolických reakcí, jaké dnes vidíme u živých tvorů. Toto je známé jako přístup „zdola nahoru“, protože pracuje s materiály, které by jinak byly na Zemi pro prebiotika.

Zatímco tyto takzvané „prebiotické chemické“ experimenty úspěšně ukázaly, jak žít mohou mít Když jsme vyrůstali, nemohou nám říct, jaký je vlastně život čin vzniknout. Jiné výzkumy mezitím využívají techniky z evoluční biologie k rekonstrukci toho, jak mohly rané formy života vypadat na základě dat z dnešního života. Toto je známé jako přístup „shora dolů“ a může nám říci o historii života na Zemi.

Výzkum shora dolů se však může ohlédnout pouze zpět, protože v organismech byly dodnes zachovány geny, a tedy ne až ke vzniku života. Navzdory svým omezením se výzkum shora dolů a zdola nahoru zaměřuje na společný cíl odhalit původ života a v ideálním případě by jejich odpovědi měly konvergovat na společném souboru podmínek.

Nový článek publikovaný Goldmanem, Lori Barge (výzkumná vědkyně v astrobiologii at the NASAzávod na proudový pohon (Laboratoř proudového pohonu)) a kolegy, abychom zaplnili tuto metodickou mezeru. Autoři tvrdí, že kombinace laboratorního výzkumu zdola nahoru o pravděpodobných cestách ke vzniku života s evolučními rekonstrukcemi raných forem života shora dolů může být použita k odhalení toho, jak život skutečně vznikl na rané Zemi.

Autoři ve svém článku popisují fenomén, který je zásadní pro dnešní život a který lze studovat kombinací výzkumu zdola nahoru a shora dolů: elektronové transportní řetězce.

Elektronové transportní řetězce jsou typem metabolického systému používaného organismy napříč stromem života, od bakterií po lidi, k výrobě využitelných forem chemické energie. Mnoho různých typů elektronových transportních řetězců je specifických pro každou formu života a energetický metabolismus, který používají: například naše mitochondrie obsahují elektronový transportní řetězec spojený s heterotrofním (potravinovým) energetickým metabolismem; Zatímco rostliny mají k sobě připojený úplně jiný řetězec přenosu elektronů Fotosyntéza (Generovat energii ze slunečního záření).

A v celém mikrobiálním světě organismy využívají širokou škálu elektronových transportních řetězců spojených s řadou různých energetických metabolických procesů. Ale navzdory těmto rozdílům autoři popisují důkazy z výzkumu shora dolů, že tento typ metabolické strategie byl používán velmi ranými formami života, a poskytují několik modelů pro předkové řetězce transportu elektronů, které lze vysledovat až do velmi rané evoluční historie.

Prozkoumali také současné důkazy zdola nahoru, že ještě předtím, než se objevil život, jak ho známe, mohla být chemie podobná řetězci přenosu elektronů usnadněna minerály a vodami raných pozemských oceánů. Inspirováni těmito pozorováními, autoři načrtávají budoucí výzkumné strategie, které kombinují výzkum shora dolů a zdola nahoru o nejstarší historii elektronových transportních řetězců, aby v širším měřítku lépe porozuměli starému energetickému metabolismu a původu života.

Tato studie je vyvrcholením pětileté předchozí práce tohoto multidisciplinárního interdisciplinárního týmu vedeného Barge v JPL, který byl financován NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life, aby studoval, jak metabolické interakce vznikly v geologických prostředích na rané Zemi. .. Předchozí práce týmu se zabývala například specifickými interakcemi elektronového transportního řetězce řízeného kovy (vedené Jessicou Weber, výzkumnou vědkyní z JPL); jak starověké enzymy mohou mít Prebiotické chemikálie jsou zahrnuty v jejich aktivních místech (vedl Goldman); A Mikrobiální metabolismus ve vysoce energeticky omezeném prostředí (Vedl Doug LaRue z University of Southern California).

„Vznik metabolismu je multidisciplinární otázka, a proto potřebujeme multidisciplinární tým, aby to studoval,“ říká Barge. „Naše práce použila techniky z chemie, geologie, biologie a počítačového modelování, abychom spojili tyto přístupy shora dolů a zdola nahoru a tento typ spolupráce bude důležitý pro budoucí studie prebiotických metabolických drah.“

Reference: „Elektronové transportní řetězce jako okno do raných fází evoluce“ od Aarona D. Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Studii financoval Národní úřad pro letectví a vesmír.