سوختوساز اولیه ممکن است بهصورت ترکیبی از کاتالیز فلزی و آنزیمی آغاز شده باشد، پیش از آنکه باکتریها و آرکیها بهطور مستقل به سلولهای آزادزی تکامل یابند.
چهار میلیارد سال پیش، شیمی که نهایتاً به حیات منجر شد، احتمالاً در اطراف منافذ هیدروترمال در جریان بود؛ جایی که فلزات طبیعی به پیشبرد واکنشها کمک میکردند، پیش از آنکه سلولها ماشینآلات کاملی را که امروز استفاده میکنند، در اختیار داشته باشند. پژوهشگران دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف (HHU) و مؤسسات همکار، بخشی از این گذار را بازسازی کردهاند و چگونگی تغییر سوختوساز و آنزیمها را در زمانی که نیاکان باکتریها و آرکیها شروع به واگرایی کردند، ردیابی کردهاند.
این مطالعه که در نشریه Science Advances منتشر شده است، شبکه شیمیایی را که سلولهای اولیه برای تولید اجزای ضروری حیات استفاده میکردند، بررسی کرده و چگونگی تأمین انرژی این واکنشها را مورد مطالعه قرار داده است. پژوهشگران به این نتیجه رسیدهاند که گذار به باکتریها و آرکیهای آزادزی ممکن است بهطور مستقل رخ داده باشد، حتی اگر هر دو دودمان دارای رمز ژنتیکی مشترک باشند.
«اگر میتوانستیم چهار میلیارد سال به عقب برگردیم و شاهد ظهور نخستین سلولها بر روی زمین باشیم، چه میدیدیم؟ ما دو نوع سلول بسیار متفاوت را میدیدیم که در حال ظهور بودند: باکتریهای پیشگام و آرکیهای پیشگام، که نخستین تلاشهای خود را برای حیات در خارج از محدوده منافذ هیدروترمال انجام میدادند.» این را ناتالیا مرنیاواک، زیستشناس دانشگاه دوسلدورف و نویسنده اصلی این انتشار جدید در Science Advances میگوید.
مرنیاواک و همکارانش ژنومها، ساختارهای پروتئینی و واکنشهای شیمیایی را مقایسه کردند تا مرحلهای بسیار اولیه از تکامل میکروبی را بررسی کنند؛ مرحلهای پیش از ظهور سلولهای آزادزی.
«این مقایسهها بینشهای بیسابقهای را در مورد مرحلهای از تکامل به ما میدهند که در آن سوختوساز کاتالیز شده توسط آنزیمها از واکنشهای خودبهخودی کاتالیز شده توسط فلزات در پوسته زمین پدید آمد.» این را ویلیام مارتین، زیستشناس دوسلدورف و نویسنده ارشد این مطالعه میگوید.
پژوهشگران بهجای تمرکز بر ژنها یا آنزیمهای منفرد، کل مجموعه واکنشهایی را بررسی کردند که سلولها برای ساخت اسیدهای آمینه، بازهای RNA و ویتامینها از مواد موجود در زمین اولیه (گاز هیدروژن، آمونیاک و CO2) استفاده میکنند. این شبکه شامل ۴۲۰ واکنش است و بهعنوان سوختوساز شناخته میشود. خود واکنشها در سراسر حیات تا حدی محافظت شدهاند که با رمز ژنتیکی قابل مقایسه است.
مارتین: «شگفتی این است که آنزیمهایی که این واکنشها را کاتالیز میکنند، در سراسر شکاف تکاملی که باکتریها و آرکیها را از هم جدا میکند، محافظت نشدهاند. ما دریافتیم که آخرین نیای مشترک همه سلولها، لوسیا (LUCA)، تنها برای حدود نیمی از واکنشهای سوختوساز آنزیم داشت. نیمه دیگر توسط فلزات موجود در محیطی که لوسیا در آن پدید آمد، کاتالیز میشد.»
این نتیجه نشان میدهد که سوختوساز اولیه ممکن است مستقیماً به شیمی محیط اطراف خود وابسته بوده باشد. فلزاتی که بهطور طبیعی در اطراف منافذ هیدروترمال وجود دارند، میتوانستند عملکردهایی را انجام دهند که بعداً توسط کاتالیزورهای زیستی به عهده گرفته شدند.
«فلزاتی که بهطور طبیعی در منافذ هیدروترمال وجود دارند، میتوانند تعداد شگفتآوری زیادی از آنزیمها را در سوختوساز جایگزین کنند.» این را هارون تویسوز، شیمیدان معدنی از مؤسسه ماکس پلانک برای تحقیقات زغالسنگ و مؤسسه مواد IMDEA در مادرید، و نویسنده همکار این مطالعه میگوید.
«هرچه دقیقتر نگاه کنیم، واضحتر میبینیم که تکامل بیوشیمیایی اولیه ترکیبی از کاتالیزورهای آنزیمی و فلزی بوده است.» این را جوزف موران از دانشگاه اتاوا در کانادا، که از پیشگامان بینالمللی استفاده از فلزات برای کاتالیز واکنشهای سوختوساز و جایگزینی آنزیمها و کوفاکتورها است، میگوید.
از این مقایسهها، پژوهشگران چهار مرحله را در توسعه اولیه کاتالیز زیستی بازسازی کردند. این توالی با واکنشهایی آغاز میشود که کاملاً توسط فلزات هدایت میشوند، سپس ترکیبی از فلزات و آنزیمها در لوسیا (LUCA) دیده میشود و در نهایت واگرایی به سمت نیاکان باکتریها و آرکیها رخ میدهد.
همزمان با توسعه این دو دودمان، آنزیمهای تازهتکاملیافته شروع به انجام واکنشهایی کردند که قبلاً به کاتالیزورهای معدنی تأمینشده توسط محیط وابسته بودند.
«ما مواردی را میبینیم که در آن نیاکان باکتریها و آرکیها بهطور مستقل آنزیمهای ساختاری متمایزی را برای کاتالیز همان واکنش متابولیکی ضروری تکامل دادند.» این را مرنیاواک میگوید: «چنین اختراعات موازی میتوانست راه را برای ظهور مستقل باکتریها و آرکیهای آزادزی هموار کند.»
معمای دیگر به انرژی مربوط میشود. سوختوساز مدرن به شدت به ATP وابسته است، اما ATP خود مولکولی پیچیده است که سلولها با آنزیمها آن را تولید میکنند. بنابراین، ATP نمیتوانست به سادگی در محیط اطراف نخستین سیستمهای متابولیکی در دسترس باشد.
«ما یک منبع انرژی جدید در خاستگاه سوختوساز شناسایی کردهایم.» این را مانون شلیکر از تیم دوسلدورف میگوید. یکی از گزینهها شامل پالادیوم است؛ فلزی که بهطور طبیعی در منافذ هیدروترمال یافت میشود و بهطور گسترده توسط شیمیدانان بهعنوان کاتالیزور استفاده میشود.
«وقتی فسفیت، شکلی از فسفر که بهطور طبیعی در منافذ هیدروترمال وجود دارد، را با ترکیبات آلی واکنش میدهیم، واکنشهای فسفوریلاسیون متابولیکی را یکشبه در آب به دست میآوریم. فسفیت و پالادیوم جایگزین ATP و آنزیمها میشوند؛ این شگفتانگیز است و درک تکامل اولیه را بسیار آسانتر میکند.» این را شلیکر میگوید.
پژوهشگران همچنین با چالش بازسازی توالی احتمالی ظهور سوختوساز مواجه بودند. از آنجا که ۴۲۰ واکنش آن یک شبکه بههمپیوسته متراکم را تشکیل میدهند و بسیاری از ترکیبات در واکنشهای متعدد ظاهر میشوند، تعیین یک توالی از نظر ریاضی دشوار است.
پروفسور مایک استیل از دانشگاه کانتربری در نیوزیلند و پروفسور دانیل هوسون از دانشگاه توبینگن روشی را توسعه دادند که واکنشهای متابولیکی را از اشکال سادهتر به پیچیدهتر مرتب میکند و احتمالاً منعکسکننده ترتیبی است که در آن در طول تکامل اولیه ظهور کردهاند.
«اولین سؤال این است که آیا یک توالی منحصربهفرد برای این واکنشها وجود دارد یا خیر.» استیل میگوید: «هنگامی که توانستیم ثابت کنیم که چنین توالی وجود دارد، الگوریتم مرتبسازی آنها قابل حل شد.»
پیامد گستردهتر به این موضوع مربوط میشود که چه زمانی نخستین دودمانهای سلولی به موجودات مستقل تبدیل شدند. بر اساس تفسیر پژوهشگران، باکتریها و آرکیها بهطور جداگانه گذار از سیستمهای وابسته به محیط ژئوشیمیایی خود به سلولهای آزادزی را انجام دادند.
مارتین: «دادههای جدید تنها یک نتیجه را باقی میگذارند. دودمانهای باکتری و آرکی بهطور مستقل گذار به حالت آزادزی را انجام دادند. فقط سلولهای آزادزی زنده هستند. بیایید آن را به نام خودش صدا کنیم: ما با یک خاستگاه برای رمز ژنتیکی، اما دو خاستگاه برای حیات مواجه هستیم.»
منبع: «مراحل میانی در خاستگاه سوختوساز در یک منفذ هیدروترمال فسفوریلهکننده» نوشته ناتالیا مرنیاواک، نادجا کی. هافمن، مانون ال. شلیکر، ماکسیمیلیان بورمایستر، لوراین شواندر، کارولینا گارسیا گارسیا، ماکس برابندر، مایک استیل، دانیل اچ. هوسون، سابین متزگر، کوئنتین درباسی، برنهارد شینک، میرکو بازن، جوزف موران، هارون تویسوز، مارتینا پراینر و ویلیام اف. مارتین، ۵ اوت ۲۰۲۶، Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.aef3128