Két külön megoldással építette fel saját anyagcseréjét az élet

A mai élő sejtekben sok száz kémiai reakció játszódik le, ezek állítják elő az élethez nélkülözhetetlen anyagokat, különféle anyagcsere-folyamatok útján. De vajon miként alakultak ki ezek a folyamatok? A düsseldorfi Heinrich Heine Egyetem vezette kutatócsoport nemrégiben ennek járt utána. A Science Advances folyóiratban megjelent eredmények szerint a mai élőlények két, egymástól függetlenül kialakult megoldás nyomait is őrzik.

Az élet eredetével kapcsolatos kutatásokban általában genetikai, leszármazási adatokat hasonlítanak össze. A most bemutatott kutatás más módon közelített: az anyagcserében részt vevő enzimek eredetét kereste. Mivel az enzimekhez eleve szükség volt valamiféle anyagcserére, a kutatók ezt az ellentmondást igyekeztek feloldani.

Ehhez a sejtmag nélküli élőlények, azaz a baktériumok és az archeák kémiai működését vizsgálták, hasonlították össze. A kutatók 552 baktérium és 401 archea anyagcseréjét vizsgálták, hogy kiderítsék, mely enzimeket örökölhették közös ősüktől, a mintegy négymilliárd éve élt LUCA-tól.

Mind a baktériumok, mind a rájuk ránézésre igencsak hasonlító, ám működési szempontokból jelentősen eltérő archeák olyan egysejtűek, amelyek nem rendelkeznek sejtmaggal. Ezek az élőlények, valamint a minket is magában foglaló, később kialakult sejtmagvas élőlények közös őse volt a kb. 4 milliárd éve élt, LUCA betűszóval jelölt lény. Nem ez volt a legelső élőlény, ám ennek a tulajdonságai, módszerei öröklődtek tovább mindmáig az élet fennmaradt és továbbfejlődött ágaiban.

A kutatók az elemzéseikben arra jutottak, hogy a LUCA még egyáltalában nem rendelkezett mindazokkal az enzimekkel, amelyek az élőlények sejtműködésében ma szerepet játszanak. Úgy vélik, a közös ős egyszerűen „kiszervezte” a feladatokat, vagyis a sejten kívül játszódhatott le az anyagcsere egy része. Ehhez nem bonyolult enzimeket használt, hanem a környezetben jelen lévő különféle fémeket, mint például vas, nikkel, kobalt.

Mivel az élet létrejöttét a legtöbben a mélytengeri forró vizes környezetekhez kötik, e hidrotermális területek ideálisak lehettek a szükséges kémiai reakciók e módon való lebonyolításához is. Itt az óceán vize és a kőzetek találkozása hatására hidrogén termelődik, s a folyamatban fémek is részt vehettek, legalábbis a laboratóriumi kísérletek ezt mutatták.

E reakciókhoz nem volt szükség enzimekre, vagyis a bonyolult vegyületek nélkül is létezhetett anyagcsere jellegű folyamat. Ráadásul ez a környezet a sejtek anyagcseréhez szükséges energiaellátását is biztosíthatta. Az itt megtalálható foszfortartalmú vegyület egyes fémek jelenlétében olyan reakciók részévé válhatott, amelyek a mai sejtek energiaforgalmának alapvető részei.

A kutatók szerint ezt követően, amikor a közös ősből különvált a baktériumok és az archeák ága, mindegyik örökölhette ezeket az ősi, ám még nem teljes folyamatokat. Később, önálló evolúciójuk során azután egymástól különböző módszerekkel tették teljessé őket. A szakemberek most öt olyan reakciót is azonosítottak, amelyek végrehajtásához a baktériumok és az archeák egészen eltérő enzimeket fejlesztettek ki.

Gyakorlatilag az evolúció ugyanarra a kémiai feladatra kétféle megoldást is biztosított. A közös ős anyagcseréjéhez 166 ősi enzimet tudtak kötni, majd később a baktériumok 89-et, az archeák pedig 38-at még kifejlesztettek.

Úgy tűnik, az élet kialakulása során hosszú, átmeneti időszak lehetett az, amikor a sejteken kívül lejátszódó folyamatok segítették az élet működését. Ezen időszak során a sejtek saját kémiai folyamatai egyre összetettebbé váltak, végül pedig elérkezett a ma ismert állapot: a sejtek képesek voltak maguk előállítani a működésükhöz szükséges kémiai eszközöket, az enzimeket. Bár az élet csak egyszer vett lendületet a LUCA formájában, ezt követően két külön úton, eltérő módszerek révén vált önállóvá a sejt.