I ett projekt finansierat av den österrikiska vetenskapsfonden FWF, biokemisten Markus Keller visade framgångsrikt hur viktiga metabola mekanismer kunde utvecklas i celler för fyra miljarder år sedan. Hans forskning ger helt nya insikter om livets uppkomst.

Livets ursprung är kanske vetenskapens största mysterium. Det är fortfarande inte tillräckligt förstått hur något så komplext skulle kunna utvecklas från den livlösa naturen. Biokemisten Markus Keller från Medical University of Innsbruck har nu lämnat ett viktigt bidrag till vår förståelse av hur livet utvecklades på jorden. Ett Erwin-Schrödinger-stipendium från FWF gjorde det möjligt för Keller att forska utomlands. Under sitt arbete undersökte han hur några mycket gamla och komplexa processer av cellulär metabolism utvecklades. – Processer som är nästan fyra miljarder år gamla och som även finns i den mänskliga organismen.

"Kruxet här är hur ämnesomsättningen började i första hand", säger Keller. "På vissa platser på vår planet finns det mycket gamla sediment som visar att livet började för mer än 3,7 miljarder år sedan. Från dessa sediment kan vi inte, dock, att dra slutsatsen i exakt vilken form livet existerade och vilka dess egenskaper var. Vi vet bara att det måste ha funnits någon form av metabolisk aktivitet", konstaterar Keller.

Vissa metaboliska vägar är identiska i nästan alla levande organismer på planeten. Ett exempel är glykolys, bearbetning av socker. "Växter, bakterier och andra levande organismer använder glukos på samma sätt som vi själva gör. Vi kan anta att processerna var desamma i livsformer som existerade i mycket tidiga skeden av evolutionen. Frågan är denna:hur skulle dessa livsformer kunna omvandla mellanprodukterna av glykolys?"

Mysteriet med saknade enzymer

Cellulär metabolism är ett komplicerat system som beror på ett antal enzymer. – Dessa speciella proteiner fungerar som katalysatorer, och vissa processer skulle inte vara möjliga utan dem. Om ett enzym saknas, hela cykeln fungerar inte. Som Keller förklarar, det är ett kyckling-eller-ägg-problem:vad kom först? Enzymerna, vilka är själva metaboliska produkter? Eller ämnesomsättning, som inte fungerar utan enzymer? För bara några år sedan, tanken att flera av dessa metaboliska mekanismer kan ha fungerat utan enzymer, helt enkelt på grund av de rådande miljöförhållandena, föraktades som "magiskt tänkande". Men det är just dessa processer vars existens Keller kunde visa.

Vikten av järn i det arkiska havet

Hans första artiklar handlade om glykolys och vad som kallas "pentos-fosfatvägen". "Vid den tid då livet måste ha börjat, det arkeiska havet var relativt varmt och innehöll en hel del järn i upplöst tillstånd", förklarar Keller. Under normala omständigheter, järn är inte vattenlösligt i sin oxiderade form, dvs rost. För ungefär fyra miljarder år sedan fanns, dock, knappt något rent syre i atmosfären eller i havet som skulle ha stött järnoxidation. Därför, det fanns stora mängder järn (II), eller järn, som lätt löses i vatten. "Vi simulerade förhållandena som rådde i det arkeiska havet och tittade på hur, till exempel, fruktos-6-fosfat, en mellanprodukt av cellulär metabolism, skulle reagera i denna miljö. En av sakerna vi hittade var att det omvandlas till glukos-6-fosfat, exakt samma sekvens av reaktions- och reaktionsvägar som i den levande cellen. I de första publikationerna visade vi att detta sker på ett förvånansvärt effektivt sätt med mycket få sidoreaktioner. Det resulterar i exakt rätt molekyler."

Metaboliska processer först, enzymer nästa

Av denna anledning, arkeiska havet var en absolut idealisk miljö för dessa mycket gamla metabola reaktioner. Och här ligger lösningen på just detta kyckling-eller-ägg-problem:kemiska metaboliska vägar var där först, och enzymerna utvecklades senare. Keller kunde bara nyligen visa en liknande situation för "citronsyracykeln" (CAC), en annan viktig del av cellulär metabolism. Dess individuella reaktioner kan också köras i frånvaro av enzymer. Analogt med moderna celler, där glykolys och CAC, som finns i cellens mitokondrier, körs separat i olika miljöer, deras icke-enzymatiska motsvarigheter behöver också olika kemiska miljöer för att fungera effektivt. På det här sättet, forskaren visade att de observationer som gjorts i samband med glykolys även gällde andra viktiga metabola vägar.

Nya metoder sätter igång idéer

Keller kunde göra dessa observationer genom att använda masspektrometrimetoder som han utvecklade under sitt Schrödinger-stipendium vid University of Cambridge. Masspektrometri är en extremt känslig mätmetod som involverar nedbrytning av ämnen till deras individuella molekyler eller atomer för att bestämma deras massa. Keller undersökte ursprungligen hur komponenterna i jästceller kunde analyseras med hjälp av masspektrometri, eftersom det inte bara var mycket exakt utan också lovade ytterligare fördelar jämfört med andra metoder. Jäst är en av biologins viktigaste modellorganismer, och Kellers arbete var grundforskning med syfte att utveckla metodik för andra typer av forskning. Han utvecklade idén att titta på det evolutionära ursprunget till cellulär metabolism tillsammans med mikrobiologen Markus Ralser, chef för forskargruppen Cambridge där Keller var medlem. De frågade också Alexandra Turchyn, en expert på arkeiska oceaner, att ansluta sig till dem och publicerade den första uppsatsen om denna fråga.

Viktiga sidlinjeobservationer

"Faktiskt har jag aldrig planerat att min forskning skulle gå i den här riktningen", säger Keller. "Den första studien som gjordes om jästmetabolism väntar nu också på publicering. Men det var viktigt att jag hade friheten att undersöka de här sakerna. Till en början var det bara en bisyssla." Keller framhåller att vissa av dessa effekter förmodligen har mätts i andra studier som sekundära effekter men inte rapporterats i detalj. "Dessa reaktioner förekommer fortfarande i celler idag", konstaterar Keller. Han uppmanar grupper som är verksamma inom detta område att titta närmare på vad de kan misstolka som mätfel.