Forskere afslører et multimilliardårigt epos skrevet ind i livets kemi
Livets oprindelse på Jorden har længe været et mysterium, der har unddraget sig videnskabsmænd. Et centralt spørgsmål er, hvor meget af livets historie på Jorden, der går tabt til tiden. Det er ret almindeligt, at en enkelt art "udfases" ved hjælp af en biokemisk reaktion, og hvis dette sker på tværs af nok arter, kan sådanne reaktioner effektivt "glemmes" af livet på Jorden.
Men hvis biokemiens historie er fyldt med glemte reaktioner, ville der så være nogen måde at sige det på? Dette spørgsmål inspirerede forskere fra Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology og California Institute of Technology (CalTech) i USA. De ræsonnerede, at glemt kemi ville fremstå som diskontinuiteter eller "brud" i den vej, som kemi tager fra simple geokemiske molekyler til komplekse biologiske molekyler.
Den tidlige Jord var rig på simple forbindelser som hydrogensulfid, ammoniak og kuldioxid - molekyler, der normalt ikke er forbundet med at opretholde liv. Men for milliarder af år siden var det tidlige liv afhængig af disse simple molekyler som en råmaterialekilde. Efterhånden som livet udviklede sig, omdannede biokemiske processer gradvist disse prækursorer til forbindelser, der stadig findes i dag. Disse processer repræsenterer de tidligste metaboliske veje.
For at kunne modellere biokemiens historie havde ELSI-forskere – specielt udnævnt lektor Harrison B. Smith, specielt udnævnt lektor Liam M. Longo og lektor Shawn Erin McGlynn i samarbejde med forsker Joshua Goldford fra CalTech – brug for en opgørelse over alle kendte biokemiske reaktioner, for at forstå, hvilke typer kemi livet er i stand til at udføre.
De henvendte sig til Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes-databasen, som har katalogiseret mere end 12.000 biokemiske reaktioner. Med reaktioner i hånden begyndte de at modellere den trinvise udvikling af stofskiftet.
Tidligere forsøg på at modellere udviklingen af metabolisme på denne måde havde konsekvent ikke produceret de mest udbredte, komplekse molekyler, som nutidens liv bruger. Årsagen var dog ikke helt klar. Ligesom før, da forskerne kørte deres model, fandt de ud af, at kun få forbindelser kunne fremstilles. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Ecology &Evolution .
En måde at omgå dette problem på er at skubbe til den stoppede kemi ved manuelt at levere moderne forbindelser. Forskerne valgte en anden tilgang:De ville afgøre, hvor mange reaktioner der manglede. Og deres jagt førte dem tilbage til et af de vigtigste molekyler i hele biokemien:adenosintrifosfat (ATP).
ATP er cellens energivaluta, fordi den kan bruges til at drive reaktioner - som at bygge proteiner - der ellers ikke ville forekomme i vand. ATP har dog en unik egenskab:De reaktioner, der selv danner ATP, kræver ATP. Med andre ord, medmindre ATP allerede er til stede, er der ingen anden måde for dagens liv at lave ATP på. Denne cykliske afhængighed var årsagen til, at modellen stoppede.
Hvordan kunne denne "ATP-flaskehals" løses? Som det viser sig, ligner den reaktive del af ATP bemærkelsesværdigt den uorganiske forbindelse polyphosphat. Ved at tillade ATP-genererende reaktioner at bruge polyphosphat i stedet for ATP - ved at modificere kun otte reaktioner i alt - kunne næsten al nutidig kernemetabolisme opnås. Forskerne kunne derefter estimere den relative alder af alle almindelige metabolitter og stille skarpe spørgsmål om historien om metaboliske veje.
Et sådant spørgsmål er, om biologiske veje blev bygget op på en lineær måde - hvor den ene reaktion efter den anden tilføjes på en sekventiel måde - eller om reaktionerne fra veje opstod som en mosaik, hvor reaktioner af vidt forskellige aldre er forbundet med hinanden til danne noget nyt. Forskerne var i stand til at kvantificere dette og fandt ud af, at begge typer veje er næsten lige almindelige i hele stofskiftet.
Men vender vi tilbage til spørgsmålet, der inspirerede undersøgelsen - hvor meget biokemi er tabt til tiden? "Vi ved måske aldrig præcist, men vores forskning gav et vigtigt bevis:Kun otte nye reaktioner, der alle minder om almindelige biokemiske reaktioner, er nødvendige for at bygge bro mellem geokemi og biokemi," siger Smith.
"Dette beviser ikke, at rummet med manglende biokemi er lille, men det viser, at selv reaktioner, der er uddøde, kan genopdages fra spor efterladt i moderne biokemi," konkluderer Smith.
Flere oplysninger: Joshua E. Goldford et al., Primitiv purinbiosyntese forbinder ældgammel geokemi med moderne metabolisme, Nature Ecology &Evolution (2024). DOI:10.1038/s41559-024-02361-4
Journaloplysninger: Naturøkologi og evolution
Leveret af Tokyo Institute of Technology
Varme artikler
-
Team afslører en enkel metode til at producere højtydende lithium-selenbatterierSAC forberedelsesproces. Kredit: Naturkommunikation (2020). DOI:10.1038/s41467-020-18820-y Genopladelige lithium-ion-batterier (LIBer) betragtes som det bedste håb for næste generations batterite -
En bærbar måleenhed til at registrere optimal modenhed i tomaterJosu Trebolazabala analyserer sammensætningen af en tomat ved hjælp af et Raman-spektrometer. Kredit:Txetxu Berruezo Et bærbart Raman-spektrometer, en enhed, der bruges inden for meget forskelli -
Mod nye databehandlings- og svindeldetektionsteknologier med on-demand polymererSyntetiske polymerer, såsom den repræsenteret ovenfor, der koder for ACS, kan gemme data og bruges til at modarbejde falskmøntnere. Kredit:Jean-François Lutz Henter inspiration fra naturen, forsk -
Kunstige enzymer udfører reaktioner på levende cellerKredit:American Chemical Society Naturen har udviklet tusindvis af enzymer for at lette de mange kemiske reaktioner, der finder sted inde i organismer for at opretholde liv. Nu, forskere har desig
- Buffer zoner, bedre regulering nødvendig for at forhindre landbrugsforurening i floder, vandløb
- Bogen beskriver fire nøglefacetter af Green New Deal, og hvorfor de kunne blive en realitet
- Efter at have rutet de Soto, Chickasaws genbrugte spanske genstande til hverdagsbrug
- Redefinering af viden om ældre gennem historien
- Ny enhed lover lavere driftsomkostninger for jernbanesektoren
- Billede:Hubble ser skændes galaktiske søskende