Nincs szükség sejtekre a metabolizmushoz

Az életet megalapozó anyagcsere folyamatok spontán, a sejteken kívül is kialakulhatnak. A szerencsés véletlennek köszönhető felfedezés új betekintéseket nyújthat az első élet kialakulásába.

"Az volt a nézet, hogy ezek az utak annyira összetettek, hogy nem alakulhattak ki kizárólag a környezeti kémia hatására" - mondta Markus Ralser, a Cambridge Egyetem tudósa, a kutatás felügyelője, aki szerint eredményeik arra utalnak, hogy a reakciók többsége spontán létrejöhetett a Föld korai óceánjaiban - enzimek helyett fém-ionok katalizációjával.

A metabolizmus eredetét illetően jókora űr tátong az ismereteinkben. "Ha megnézzük a világ sok különböző organizmusát, ez a reakcióhálózat minden esetben nagyon hasonló, ami arra utal, hogy az evolúció kezdetén kellett a helyére kerülnie, de senki nem tudja pontosan, hogyan és mikor" - mondta Ralser.

Egy elmélet szerint az RNS volt az élet első építőeleme, mivel ez elősegíti az enzimek termelését, ami katalizálhatja a reakciók komplex sorozatait. Egy másik lehetőség szerint a reakciók láncolatát magába foglaló metabolizmus volt előbb, ami ellátja a sejteket a túléléshez szükséges nyersanyagokkal, létrehozva akár az RNS-hez szükséges molekulákat is, a sejtek pedig csak később léptek be ebbe a folyamatba. Ehhez a változathoz azonban nem sok bizonyíték állt rendelkezésre. "Ez az első kísérlet, ami bizonyítja, hogy RNS nélkül is létrehozhatók anyagcsere hálózatok" - tette hozzá Ralser.

A felfedezés a puszta véletlen műve, egy minőségellenőrzési teszten botlottak bele, méghozzá a sejtek tenyésztéséhez használt közeg rutinellenőrzésekor. Ralser egyik hallgatója elhatározta, hogy egy tömeg spektrométerrel megvizsgál egy szokatlan közeget, mely során piruvát, a glikolízis, egy anyagcsereút végtermékének jeleit észlelte.

Hogy leteszteljék, vajon ugyanez a folyamat segíthetett-e a földi élet beindításában, felkeresték a földtudományi tanszéket, ahol az ősi, 4 milliárd évvel ezelőtt a Földet borító óceán kémiájának rekonstruálásán dolgoztak. Ez egy oxigénmentes világ volt, még a fotoszintézis előtt, vize vasban és más fémekben, valamint foszfátban gazdag. Mindezek az anyagok elősegíthették azokat a kémiai reakciókat, melyeket a modern sejteknél is láthatunk.

Ralser csapata a korai óceánt idéző oldatokat készített és olyan anyagokat adott hozzá, melyek ismereteink szerint a modern anyagcsereutak kiindulási pontjai lehettek. A mintákat 5 órára 50 és 70 Celsius közé melegítették, ez a hőmérséklettartomány jellemezhette a hidrotermális hasadékok környezetét. Ezután elemezték az oldatokat, hogy lássák, milyen molekulák vannak jelen. "Kezdetben abban reménykedtünk, hogy legalább egy, vagy esetleg két reakciót találunk, az eredmény azonban elképesztő volt" - mondta Ralser. "Sikerült két teljes anyagcsereutat rekonstruálnunk"

Az észlelt anyagcsereutak a glikolízis és a pentóz-foszfát út volt. A két anyagcsereút együttesen a modern sejtek legfontosabb anyagait hozza létre, többek közt a sejten belüli energiaátvitelhez nélkülözhetetlen ATP-t, a DNS és RNS cukrait, valamint a zsírok és fehérjék előállításához szükséges molekulákat. Amennyiben ezek az anyagcsereutak kialakultak a korai óceánokban, akkor az első sejtek beboríthatták azokat miközben membránjaikat kialakították.

Összesen 29 metabolizmusra emlékeztető reakciót észleltek, melyeket a korai óceán üledékében is jelenlévő vas és más fémek katalizáltak. Az anyagcsereutak nem egyeznek meg a maiakkal, azonban szerkezetüket tekintve azonosak, melyekből sok ma is létező molekula alakult ki. Az utak jelentősen finomodtak és fejlődtek az enzimek megjelenésével.

Ralser szerint a legjelentősebb eredmény a pentóz-foszfát észlelése, ez ugyanis az RNS egyik előfutára, ami képes információt kódolni, felgyorsítja a kémiai reakciókat, valamint képes a szaporodásra.