Πώς και πού εμφανίστηκαν οι πρώτες μορφές ζωής; Αυτά είναι τα βασικά ερωτήματα στα οποία επιχειρούν να απαντήσουν οι ερευνητές του Ινστιτούτου Μοριακής Εξέλιξης στο Πανεπιστήμιο Χάινριχ Χάινε του Ντίσελντορφ (HHU).

Σε νέα δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, διεθνής ομάδα με επικεφαλής βιολόγους από το Ντίσελντορφ αποκαλύπτει πρωτοποριακά στοιχεία για το δίκτυο των χημικών αντιδράσεων που χρησιμοποιούσαν τα πρώτα κύτταρα προκειμένου να παράγουν τα δομικά συστατικά της ζωής, αλλά και για τις πηγές ενέργειας που τροφοδοτούσαν αυτές τις αντιδράσεις. Οι ερευνητές ανασύνθεσαν την προέλευση των ενζύμων κατά τον πρώτο εξελικτικό διαχωρισμό της ζωής σε βακτήρια και αρχαία και βρήκαν στοιχεία που δείχνουν ότι τα κύτταρα ελεύθερης διαβίωσης μπορεί να είχαν δύο ανεξάρτητες αφετηρίες.

Αν μπορούσατε να ταξιδέψετε 4 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στον χρόνο και να παρακολουθήσετε την εμφάνιση των πρώτων κυττάρων στον πλανήτη μας, τι θα βλέπατε; «Θα βλέπατε να εμφανίζονται δύο πολύ διαφορετικοί τύποι κυττάρων, τα πρώτα βακτήρια και τα πρώτα αρχαία, τα οποία επιχειρούσαν για πρώτη φορά να ζήσουν έξω από το προστατευμένο περιβάλλον μιας υδροθερμικής πηγής», εξήγησε η Natalia Mrnjavac, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ντίσελντορφ και κύρια συγγραφέας της νέας.

Τι είναι τα Βακτήρια και τα Αρχαία

Οι βιολόγοι χωρίζουν τις μορφές ζωής σε δύο κατηγορίες: στους ευκαρυώτες, δηλαδή στους πιο σύνθετους οργανισμούς των οποίων τα κύτταρα διαθέτουν πυρήνα, και στις αρχαιότερες κυτταρικές εξελικτικές γραμμές χωρίς πυρήνα, τους προκαρυώτες. Οι προκαρυώτες περιλαμβάνουν τις δύο αρχέγονες εξελικτικές γραμμές της ζωής, τα Βακτήρια και τα Αρχαία. Πολλοί προκαρυώτες μπορούν να επιβιώσουν σε ακραίες συνθήκες, όπως σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και σε όξινα ή αλκαλικά περιβάλλοντα. Πολλοί ζουν στις υδροθερμικές πηγές του πυθμένα των ωκεανών, όπου, σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, μπορεί να εμφανίστηκε για πρώτη φορά η ζωή.

Ο ρόλος του μεταβιλισμού στη δημιουργία της ζωής

Στη μελέτη, η Mrnjavac και μια διεθνής ομάδα επιστημόνων παρουσίασαν έρευνες σε γονιδιώματα, πρωτεϊνικές δομές και χημικές αντιδράσεις, εξετάζοντας τα πρώτα στάδια της μικροβιακής εξέλιξης, πριν εμφανιστούν τα κύτταρα ελεύθερης διαβίωσης. «Αυτές οι συγκρίσεις μάς προσφέρουν πρωτοφανείς πληροφορίες για τη φάση της εξέλιξης κατά την οποία ο ενζυμικός μεταβολισμός άρχισε να αναδύεται μέσα από αυθόρμητες αντιδράσεις που καταλύονταν από μέταλλα στον φλοιό της Γης», ανέφερε ο William Martin, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ντίσελντορφ και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Η προσέγγιση που ακολούθησε η ομάδα διαφέρει από όλες τις προηγούμενες έρευνες για την πρώιμη εξέλιξη, καθώς εξέτασε το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να παράγουν τα δομικά συστατικά της ζωής, όπως τα αμινοξέα, οι βάσεις του RNA και οι βιταμίνες, από ενώσεις που υπήρχαν στην πρώιμη Γη: αέριο υδρογόνο, αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το σύνολο των 420 χημικών αντιδράσεων ονομάζεται μεταβολισμός. Οι ίδιες οι χημικές αντιδράσεις έχουν διατηρηθεί σε όλους τους οργανισμούς, όπως ακριβώς και ο γενετικός κώδικας.

Ο Martin ανέφερε: «Το εντυπωσιακό είναι ότι τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις δεν είναι κοινά στις δύο εξελικτικές γραμμές των βακτηρίων και των αρχαίων. Διαπιστώσαμε ότι ο τελευταίος καθολικός κοινός πρόγονος όλων των κυττάρων, γνωστός ως LUCA, διέθετε ένζυμα μόνο για τις μισές περίπου αντιδράσεις του μεταβολισμού. Οι υπόλοιπες μισές καταλύονταν από μέταλλα που υπήρχαν στο περιβάλλον όπου εμφανίστηκε ο LUCA».

«Τα μέταλλα που υπάρχουν φυσικά στις υδροθερμικές πηγές μπορούν να αντικαταστήσουν έναν εντυπωσιακά μεγάλο αριθμό ενζύμων του μεταβολισμού», ανέφερε ο Harun Tüysüz, ανόργανος χημικός στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Έρευνα του Άνθρακα και στο Ινστιτούτο Υλικών IMDEA στη Μαδρίτη, καθώς και εκ των συγγραφέων της μελέτης.

«Όσο πιο προσεκτικά εξετάζουμε τα στοιχεία τόσο πιο καθαρά βλέπουμε ότι η πρώιμη βιοχημική εξέλιξη στηριζόταν σε έναν συνδυασμό ενζυμικών και μεταλλικών καταλυτών», ανέφερε ο Joseph Moran από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα στον Καναδά, διεθνώς αναγνωρισμένος ειδικός στη χρήση μετάλλων για την κατάλυση μεταβολικών αντιδράσεων αντί για ένζυμα και συμπαράγοντες.

Ένα σημαντικό βήμα προόδου στην παρούσα μελέτη ήταν ότι η ομάδα κατάφερε να ανασυνθέσει 4 φάσεις της πρώιμης εξέλιξης της κατάλυσης. Αρχικά, οι αντιδράσεις καταλύονταν αποκλειστικά από μέταλλα. Στη συνέχεια εμφανίστηκε στον LUCA ένα υβριδικό σύστημα μετάλλων και ενζύμων, το οποίο ακολούθησε διαφορετική εξελικτική πορεία στους προγόνους των βακτηρίων και των αρχαίων. Στις δύο αυτές εξελικτικές γραμμές εμφανίστηκαν νέα ένζυμα, τα οποία αντικατέστησαν τους ανόργανους καταλύτες που παρείχε το περιβάλλον όπου γεννήθηκε ο μεταβολισμός.

«Βλέπουμε περιπτώσεις στις οποίες οι πρόγονοι των βακτηρίων και των αρχαίων ανέπτυξαν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, ένζυμα με διαφορετική δομή για να καταλύσουν την ίδια απαραίτητη μεταβολική αντίδραση», ανέφερε η Mrnjavac. «Αυτές οι παράλληλες εξελικτικές καινοτομίες μπορεί να άνοιξαν τον δρόμο για την ανεξάρτητη εμφάνιση βακτηρίων και αρχαίων ελεύθερης διαβίωσης».

Από πού προερχόταν, όμως, η ενέργεια που τροφοδοτούσε αυτές τις αντιδράσεις; Σήμερα, η ενέργεια που απαιτείται για τον μεταβολισμό παρέχεται κυρίως με τη μορφή ATP. Το ATP, όμως, είναι ένα σύνθετο μόριο που παράγεται από ένζυμα και όχι μια ένωση που υπήρχε ελεύθερα στις υδροθερμικές πηγές. «Εντοπίσαμε μια νέα πηγή ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιήθηκε όταν πρωτοεμφανίστηκε ο μεταβολισμός», ανέφερε η Manon Schlikker, ερευνήτρια της ομάδας του Ντίσελντορφ. Ένα από τα μέταλλα που υπάρχουν φυσικά στις υδροθερμικές πηγές είναι το παλλάδιο, ένας εξαιρετικός καταλύτης, γνωστός και ευρέως χρησιμοποιούμενος από τους χημικούς εδώ και έναν αιώνα. «Όταν αφήνουμε ένα φωσφορώδες άλας, μια μορφή φωσφόρου που υπάρχει φυσικά στις υδροθερμικές πηγές, να αντιδράσει με οργανικές ενώσεις, μέσα σε μία νύχτα πραγματοποιούνται στο νερό μεταβολικές αντιδράσεις φωσφορυλίωσης. Το φωσφορώδες άλας και το παλλάδιο αντικαθιστούν το ATP και τα ένζυμα. Είναι εκπληκτικό και μας βοηθά να κατανοήσουμε πολύ πιο εύκολα την πρώιμη εξέλιξη», ανέφερε η Schlikker.

Η μελέτη είναι η πρώτη που επικεντρώνεται ειδικά στο σύνολο των αντιδράσεων που ονομάζουμε μεταβολισμό. Πρόκειται για ένα εξαιρετικά διασυνδεδεμένο δίκτυο 420 αντιδράσεων, στο οποίο πολλές ενώσεις συμμετέχουν σε περισσότερες από μία αντιδράσεις. Η μαθηματική μελέτη τέτοιων δικτύων μπορεί να είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Στη συγγραφική ομάδα συμμετείχαν, όμως, ο Mike Steel από το Πανεπιστήμιο του Καντέρμπουρι στη Νέα Ζηλανδία και ο Daniel Huson από το Πανεπιστήμιο του Τίμπινγκεν. Οι δύο ειδικοί στα δίκτυα ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την ταξινόμηση των μεταβολικών αντιδράσεων από τις απλούστερες στις πιο σύνθετες, αναπαράγοντας ενδεχομένως τη σειρά με την οποία εμφανίστηκαν κατά την απαρχή της ζωής. «Το πρώτο ερώτημα», ανέφερε ο Steel, «είναι αν υπάρχει μία και μοναδική σειρά για αυτές τις αντιδράσεις. Μόλις καταφέραμε να αποδείξουμε ότι υπάρχει, κατέστη εφικτή η δημιουργία ενός αλγορίθμου για την ταξινόμησή τους».

Η ανάγκη να μάθετε από πού προέρχεστε, πού ξεκίνησε η ζωή και πώς κατάφεραν να επιβιώσουν τα πρώτα κύτταρα στον πλανήτη μας αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της ανθρώπινης φύσης. Ποια είναι, όμως, η ευρύτερη σημασία των νέων ευρημάτων; Ο Martin ανέφερε: «Τα νέα δεδομένα οδηγούν σε ένα μόνο συμπέρασμα. Οι εξελικτικές γραμμές των βακτηρίων και των αρχαίων πέρασαν ανεξάρτητα στην ελεύθερη διαβίωση. Μόνο τα κύτταρα ελεύθερης διαβίωσης είναι πραγματικά ζωντανά. Ας το πούμε ξεκάθαρα: βλέπουμε μία προέλευση του γενετικού κώδικα, αλλά δύο διαφορετικές απαρχές της ζωής».