Происхождение метаболизма: как геохимия могла стать биохимией

Происхождение метаболизма — один из главных вопросов в истории жизни: как сеть из сотен взаимосвязанных реакций могла появиться до того, как существовали ферменты, которые сегодня эти реакции ускоряют? Новая работа предлагает конкретную последовательность событий: ранняя биохимия могла частично опираться на неорганические катализаторы окружающей среды, а ферменты и кофакторы постепенно заменяли их и делали метаболизм автономным. В центре этой реконструкции находится LUCA — последний универсальный общий предок современных клеточных организмов.

Это не «первая жизнь», а гораздо более позднее состояние эволюции, когда уже существовали генетический код, рибосомы и белковый синтез. Вопрос авторов был в другом: насколько полным к этому моменту был собственный ферментативный метаболизм?

Что сохранилось от древней биохимии

Авторы проанализировали 953 генома — 552 бактериальных и 401 архейный — и сопоставили последовательности и структуры белков с реакциями ядра метаболизма. В обновлённый список вошли 424 реакции, превращающие простые исходные вещества, включая H₂, CO₂, NH₃, H₂S и неорганический фосфат, в аминокислоты, нуклеотиды и кофакторы.

Для 361 реакции удалось связать современные ферменты с белковыми семействами. Из этих семейств 166 авторы отнесли к LUCA. Ещё 89, по реконструкции, появились на линии, ведущей к последнему общему предку бактерий, и 38 — на линии, ведущей к последнему общему предку архей.

Для 37 распределение оказалось слишком редким, чтобы уверенно определить происхождение. Получается, что у LUCA уже работала значительная часть метаболической сети, но она была ферментативно неполной. Особенно полно выглядел синтез нуклеотидов, тогда как синтез аминокислот, кофакторов и часть центрального углеродного обмена ещё требовали дальнейшей эволюции.

Авторы нашли и более прямой след независимой «достройки» этой сети: пять реакций, для которых бактерии и археи используют структурно неродственные ферменты. Если одна и та же химическая задача решается белками разного происхождения, это согласуется с тем, что соответствующие ферменты возникли независимо уже после расхождения двух линий.

До ферментов могли работать металлы

Тогда возникает проблема: если ранний метаболизм был неполным, чем выполнялись недостающие реакции? Авторы связывают этот этап с серпентинизирующими гидротермальными системами — местами, где вода взаимодействует с породами и образует водород, щелочную среду и металлические катализаторы.

Для 37 реакций из рассматриваемого набора — около 10% — ранее уже было показано, что та же реакция может идти в лаборатории при гидротермальных условиях с участием металлов. Для многих других воспроизведены соответствующие типы реакций или последовательности превращений. В сумме авторы оценивают, что для 46% реакций ядра метаболизма и их геохимических аналогов уже существуют экспериментальные примеры протекания без ферментов и кофакторов в водной среде при участии переходных металлов.

Особое место занимает проблема фосфорилирования. Современные клетки постоянно используют соединения с фосфатными связями, прежде всего ATP, но образование таких связей в воде само по себе затруднено. Авторы проверили фосфит — восстановленную форму фосфора, обнаруживаемую в серпентинизированных породах.

В лаборатории никель переводил фосфит в фосфат примерно с 75-процентным выходом при 100 °C. Сам никель также позволял получить небольшое количество ADP из AMP. Более эффективным оказался палладий на углеродном носителе: при pH 9 и 50 °C из AMP образовывался ADP с выходом около 8% за 72 часа, а серин превращался в фосфосерин с выходом 42% за 18 часов.

Эти опыты показывают принципиальную возможность водного фосфорилирования без фермента и без ATP.

Как геохимия могла стать метаболизмом

Из этих данных авторы предлагают модель постепенной замены. На раннем этапе металлы и другие компоненты среды могли выполнять часть каталитической работы. Позже появились кофакторы — небольшие молекулы-помощники ферментов, которые переносят электроны или химические группы.

Ещё позже ферменты и кофакторы сделали реакции более избирательными и позволили метаболической сети меньше зависеть от конкретной минеральной поверхности. Интересный аргумент этой модели состоит в порядке появления самих кофакторов. В реконструированной сети все 17 изученных кофакторов требуются в некоторых реакциях раньше, чем метаболизм получает возможность синтезировать их самостоятельно.

Авторы считают это признаком того, что на ранних этапах их функции должны были выполнять более простые предшественники — прежде всего металлы и компоненты гидротермальной среды. Но это не воспроизведение происхождения жизни в лаборатории и не доказательство, что жизнь обязательно возникла у гидротермального источника. Работа объединяет эволюционную реконструкцию по современным геномам с лабораторной химией и поэтому неизбежно зависит от предположений.

Архейные ферменты изучены хуже бактериальных и представлены в базах данных слабее. Список неферментативных реакций остаётся неполным, а сами авторы отмечают, что металлы вряд ли смогут заменить все ферменты. Кроме того, концентрации фосфита в опытах были выше измеренных в современных серпентинизированных породах, а палладий в земной коре редок.

Главный вывод работы поэтому уже и интереснее громких формулировок о «двух происхождениях жизни». Авторы находят признаки единой химической преемственности от геохимических реакций к LUCA, после чего бактериальная и архейная линии независимо завершали сборку собственного ферментативного метаболизма. В этой картине граница между геохимией и биохимией была не одним событием, а длительным переходом.