Livets ursprung på jorden har länge varit ett mysterium som har undgått forskarna. En nyckelfråga är hur mycket av livets historia på jorden som går förlorad i tiden. Det är ganska vanligt att en enskild art "fasas ut" med hjälp av en biokemisk reaktion, och om detta sker över tillräckligt många arter kan sådana reaktioner effektivt "glömmas bort" av livet på jorden.
Men om biokemins historia är full av bortglömda reaktioner, skulle det finnas något sätt att säga? Denna fråga inspirerade forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology och California Institute of Technology (CalTech) i USA. De resonerade att bortglömd kemi skulle framstå som diskontinuiteter eller "avbrott" i den väg som kemin tar från enkla geokemiska molekyler till komplexa biologiska molekyler.
Den tidiga jorden var rik på enkla föreningar som svavelväte, ammoniak och koldioxid - molekyler som vanligtvis inte förknippas med att upprätthålla liv. Men för miljarder år sedan förlitade sig tidigt liv på dessa enkla molekyler som en råmaterialkälla. När livet utvecklades, omvandlade biokemiska processer gradvis dessa prekursorer till föreningar som fortfarande finns idag. Dessa processer representerar de tidigaste metaboliska vägarna.
För att modellera biokemins historia behövde ELSI-forskare – särskilt utnämnd docent Harrison B. Smith, specialutnämnd docent Liam M. Longo och docent Shawn Erin McGlynn, i samarbete med forskaren Joshua Goldford från CalTech – en inventering av alla kända biokemiska reaktioner, för att förstå vilka typer av kemi livet kan utföra.
De vände sig till Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes-databasen, som har katalogiserat mer än 12 000 biokemiska reaktioner. Med reaktioner i hand började de modellera den stegvisa utvecklingen av ämnesomsättningen.
Tidigare försök att modellera utvecklingen av metabolism på detta sätt hade konsekvent misslyckats med att producera de mest utbredda, komplexa molekyler som används av samtida liv. Orsaken var dock inte helt klarlagd. Precis som tidigare, när forskarna körde sin modell, fann de att endast ett fåtal föreningar kunde produceras. Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Ecology &Evolution .
Ett sätt att kringgå detta problem är att knuffa på den avstannade kemin genom att manuellt tillhandahålla moderna föreningar. Forskarna valde ett annat tillvägagångssätt:de ville avgöra hur många reaktioner som saknades. Och deras jakt ledde dem tillbaka till en av de viktigaste molekylerna i hela biokemin:adenosintrifosfat (ATP).
ATP är cellens energivaluta eftersom den kan användas för att driva reaktioner – som att bygga proteiner – som annars inte skulle inträffa i vatten. ATP har dock en unik egenskap:De reaktioner som själva bildar ATP kräver ATP. Med andra ord, om inte ATP redan finns, finns det inget annat sätt för dagens liv att göra ATP. Detta cykliska beroende var anledningen till att modellen slutade.
Hur kunde denna "ATP-flaskhals" lösas? Som det visar sig är den reaktiva delen av ATP anmärkningsvärt lik den oorganiska föreningen polyfosfat. Genom att tillåta ATP-genererande reaktioner att använda polyfosfat istället för ATP - genom att modifiera bara åtta reaktioner totalt - kunde nästan all modern kärnmetabolism uppnås. Forskarna kunde sedan uppskatta de relativa åldrarna för alla vanliga metaboliter och ställa skarpa frågor om historien om metabola vägar.
En sådan fråga är om biologiska vägar byggdes upp på ett linjärt sätt – där den ena reaktionen efter den andra läggs till på ett sekventiellt sätt – eller om reaktionsvägarnas reaktioner uppstod som en mosaik, där reaktioner av mycket olika åldrar sammanfogas till bilda något nytt. Forskarna kunde kvantifiera detta och fann att båda typerna av vägar är nästan lika vanliga i hela ämnesomsättningen.
Men för att återgå till frågan som inspirerade studien - hur mycket biokemi går förlorad med tiden? "Vi kanske aldrig vet exakt, men vår forskning gav ett viktigt bevis:endast åtta nya reaktioner, som alla påminner om vanliga biokemiska reaktioner, behövs för att överbrygga geokemi och biokemi", säger Smith.
"Detta bevisar inte att utrymmet för saknad biokemi är litet, men det visar att även reaktioner som har dött ut kan återupptäckas från ledtrådar som lämnats efter i modern biokemi", avslutar Smith.
Mer information: Joshua E. Goldford et al, Primitiv purinbiosyntes kopplar forntida geokemi till modern metabolism, Nature Ecology &Evolution (2024). DOI:10.1038/s41559-024-02361-4
Journalinformation: Naturekologi och evolution
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
