Det Arkeiske Ocean som en ideel yngleplads for livet

I et projekt finansieret af den østrigske videnskabsfond FWF, biokemikeren Markus Keller demonstrerede med succes, hvor vigtige metaboliske mekanismer var i stand til at udvikle sig i celler for fire milliarder år siden. Hans forskning giver helt ny indsigt i livets oprindelse.

Livets oprindelse er måske videnskabens største mysterium. Det er stadig ikke tilstrækkeligt forstået, hvordan noget så komplekst kunne udvikle sig fra livløs natur. Biokemikeren Markus Keller fra det medicinske universitet i Innsbruck har nu ydet et vigtigt bidrag til vores forståelse af, hvordan livet udviklede sig på Jorden. Et Erwin-Schrödinger-stipendium fra FWF satte Keller i stand til at undersøge i udlandet. I løbet af sit arbejde udforskede han, hvordan nogle meget gamle og komplekse processer for cellulær metabolisme udviklede sig. - Processer, der er næsten fire milliarder år gamle og også findes i den menneskelige organisme.

"Kernen her er, hvordan stofskiftet startede i første omgang", siger Keller. "Nogle steder på vores planet er der meget gamle sedimenter, der viser, at livet begyndte for mere end 3,7 milliarder år siden. Fra disse sedimenter kan vi ikke, imidlertid, at konkludere i præcis hvilken form livet eksisterede, og hvad dets egenskaber var. Vi ved bare, at der må have været en form for metabolisk aktivitet ", bemærker Keller.

Nogle metaboliske veje er identiske i næsten alle levende organismer på planeten. Et eksempel er glykolyse, forarbejdning af sukker. "Planter, bakterier og andre levende organismer bruger glukose på samme måde som vi selv gør. Vi kan antage, at processerne var de samme i livsformer, der eksisterede på meget tidlige stadier af evolutionen. Spørgsmålet er dette:Hvordan kunne disse livsformer interkonvertere de mellemliggende produkter fra glykolyse? "

Mysteriet om manglende enzymer

Cellulær metabolisme er et kompliceret system, der afhænger af en række enzymer. - Disse særlige proteiner fungerer som katalysatorer, og nogle processer ville ikke være mulige uden dem. Hvis der mangler et enzym, hele cyklussen virker ikke. Som Keller forklarer, det er et kylling-eller-æg-problem:hvad kom først? Enzymerne, som er metaboliske produkter selv? Eller stofskifte, som ikke fungerer uden enzymer? For kun få år siden, tanken om, at flere af disse metaboliske mekanismer kunne have fungeret uden enzymer, simpelthen på grund af de herskende miljøforhold, blev nedsat som "magisk tænkning". Men det er netop disse processer, hvis eksistens Keller var i stand til at demonstrere.

Betydningen af ​​jern i Det Arkeiske Ocean

Hans første artikler omhandlede glykolyse og det, der kaldes "pentose-phosphatvejen". "På det tidspunkt, hvor livet må være begyndt, Det arkeiske hav var relativt varmt og indeholdt en masse jern i en opløst tilstand ", forklarer Keller. Under normale omstændigheder, jern er ikke vandopløseligt i sin oxiderede form, dvs. rust. For omkring fire milliarder år siden var der, imidlertid, næsten ingen ren ilt i atmosfæren eller i havet, som ville have understøttet jernoxidation. Derfor, der fandtes store mængder jern (II), eller jernholdigt jern, som let opløses i vand. "Vi simulerede de forhold, der hersker i det arkeiske hav og så på, hvordan for eksempel, fructose-6-phosphat, et mellemprodukt af cellulær metabolisme, ville reagere i dette miljø. En af de ting, vi fandt, var, at det omdannes til glucose-6-phosphat, præcis den samme sekvens af reaktions- og reaktionsveje som i den levende celle. I de første publikationer viste vi, at dette sker på en overraskende effektiv måde med meget få bivirkninger. Det resulterer i præcis de rigtige molekyler. "

Metaboliske processer først, enzymer næste

Af denne grund, Det arkeiske hav var et absolut ideelt miljø for disse meget gamle metaboliske reaktioner. Og her ligger løsningen på dette særlige kylling-eller-æg-problem:kemiske metaboliske veje var der først, og enzymerne udviklede sig senere. Keller kunne først for nylig demonstrere en lignende situation for "citronsyrecyklussen" (CAC), en anden vigtig del af cellulær metabolisme. Dens individuelle reaktioner kan også køre i fravær af enzymer. Analog med moderne celler, hvor glykolyse og CAC, som er placeret i cellens mitokondrier, køres separat i forskellige miljøer, deres ikke-enzymatiske modstykker har også brug for forskellige kemiske miljøer for at køre effektivt. På denne måde, forskeren viste, at de observationer, der blev foretaget i forbindelse med glykolyse, også gjaldt for andre vigtige metaboliske veje.

Nye metoder udløser ideer

Keller var i stand til at foretage disse observationer ved at bruge massespektrometri metoder, han udviklede under sit Schrödinger Fellowship ved University of Cambridge. Massespektrometri er en ekstremt følsom metode til måling, der involverer nedbrydning af stoffer i deres individuelle molekyler eller atomer for at bestemme deres masse. Keller undersøgte oprindeligt, hvordan komponenterne i gærceller kunne analyseres ved hjælp af massespektrometri, da det ikke kun var meget præcist, men også lovede yderligere fordele i forhold til andre metoder. Gær er en af ​​de vigtigste modelorganismer i biologi, og Kellers arbejde var grundforskning med det formål at udvikle metode til andre former for forskning. Han udviklede ideen om at se på den evolutionære oprindelse af cellulær metabolisme sammen med mikrobiologen Markus Ralser, leder af forskningsgruppen i Cambridge, som Keller var medlem af. De spurgte også Alexandra Turchyn, en ekspert i arkæiske oceaner, at slutte sig til dem og udgav det første papir om dette emne.

Vigtige sidelinjeobservationer

"Egentlig havde jeg aldrig planlagt, at min forskning skulle gå i denne retning", siger Keller. "Den indledende undersøgelse af gærmetabolisme venter nu også på offentliggørelse. Men det var vigtigt, at jeg havde frihed til at undersøge disse ting. Først var det bare en sidelinje." Keller understreger, at nogle af disse effekter sandsynligvis er blevet målt i andre undersøgelser som sekundære effekter, men ikke blev rapporteret i detaljer. "Disse reaktioner forekommer stadig i celler i dag", observerer Keller. Han opfordrer grupper, der er aktive på dette område, til at se nærmere på, hvad de kan fejlagtigt tolke som at måle fejl.