Biológovia stále zápasia s tajomstvom pôvodu života na Zemi. Je potrebné pochopiť, ako vznikli primitívne baktérie a iné formy života. O progenitorovom organizme je známe len málo, ale genomika nám umožňuje zistiť niečo o najstarších tvoroch, ktoré obývali svet na začiatku svojej existencie. "Lenta.ru" hovorí o článku publikovanom v časopise Nature, v ktorom sa autori snažia odpovedať na otázku, kto bol LUCA (posledný univerzálny spoločný predok), Luca je univerzálny spoločný predok všetkých moderných organizmov.
Zatiaľ neexistovali tri oblasti života (super kráľovstvá) - baktérie, archaea a eukaryoty, ale už existoval. Tento organizmus predstavuje prechodné spojenie medzi neživým prostredím ranej Zeme a prvými mikróbmi, ktoré žili v horninách pred 3,8 až 3,5 miliardami rokov. Nie je známe, ako vyzeral Luke a za akých podmienok žil. Vedci, rovnako ako detektívi, rekonštruovali základné prvky kúsok po kúsku. Vychádzali sme z nasledujúceho princípu: keďže Lukáš je predchodcom všetkých živých organizmov, znamená to, že od neho zdedili niektoré črty. Na základe biologických charakteristík každej živej bytosti vytvorili biológovia portrét Luka: jednobunkový organizmus pripomínajúci baktériu.
Nová štúdia nemeckých vedcov umožnila objasniť vnútornú organizáciu univerzálneho predka. Vedci určili, ktoré gény môžu obsahovať Lukeovu DNA. Na tento účel použili fylogenetický prístup, inými slovami, analyzovali vývojové vzťahy medzi rôznymi druhmi života na Zemi. Toto sa uskutočnilo nasledujúcim spôsobom. Po zistení, ktoré proteíny sú kódované prokaryotickým genómom, vybrali biológovia tie, ktoré spĺňajú niekoľko kritérií. Po prvé, proteín musí byť prítomný vo vyšších taxónoch baktérií a archaea. Po druhé, ak postavíme fylogenetický strom - diagram, ktorý odráža vývojové vzťahy - potom by baktérie a archaea, ktoré majú tento proteín, mali tvoriť monofyletickú skupinu, tj mať spoločného predka. Posledná podmienka zvyšuje pravdepodobnosť, že tieto rovnaké proteíny boli prítomné v Luke,a od neho sa preniesli na potomkov.
Celkovo bolo analyzovaných a prítomných v 1 847 bakteriálnych a 134 archaálnych genómoch viac ako šesť miliónov génov kódujúcich proteíny. Z celej populácie tvorili vedci 286 514 skupín (zhlukov), z ktorých iba asi 11 000 obsahovalo bakteriálne a archaálne proteíny. Po vytvorení fylogenetických stromov a testovaní proteínových skupín na monofyletickom princípe zostalo iba 335 klastrov, ktoré spĺňali počiatočné podmienky. Všetky proteíny v konečnej vzorke boli podľa biológov prítomné v genóme LUCA. Malo by sa poznamenať, že tieto kritériá nevylučujú možnosť horizontálneho prenosu génov. Takže proteín, ktorý sa prvýkrát objavil v skorých baktériách, mohol vstúpiť do Archea a šíriť sa medzi zástupcami každej z domén, hoci nikdy nebol prítomný v Lukovom tele.
Biológovia sa zaujímali o gény, ktoré tvoria „informačné jadro“v bunkách živých organizmov. Hovoríme o 19 proteínoch podieľajúcich sa na syntéze ribozómov, ako aj o ôsmich enzýmoch, ktoré hrajú hlavnú úlohu pri tvorbe transportnej RNA (premiestňujú aminokyseliny na miesta konštrukcie proteínových molekúl).
Čierni fajčiari
Propagačné video:
Foto: NOAA / Wikipedia
Lukov rekonštruovaný genóm naznačuje, že to bol anaeróbny (prispôsobený prostrediu bez kyslíka) tvor, ktorý dostal energiu potrebnú pre život v dôsledku chemosyntézy - chemických reakcií, ktoré oxidujú minerály. Zdá sa, že univerzálny predok žil blízko hydrotermálnych prieduchov ako čierni fajčiari. Toto je indikované možnou prítomnosťou gyráz v nej - enzýmov špecifických pre termofilné (termofilné) organizmy. S najväčšou pravdepodobnosťou tiež v LUCA existovali enzýmy, ktoré umožňujú chemosyntézu, v ktorej je oxid uhličitý jediným zdrojom uhlíka. Vo všeobecnosti by tento organizmus mohol prijímať energiu z plynov, ako je vodík, oxid uhličitý a dusík.
Niektoré z enzýmov obsahujú zhluky železo-síra (FeS), ktoré sú skupinou molekúl kofaktorov, ktoré sa špecificky viažu na proteíny a určujú ich katalytickú aktivitu. To naznačuje, že Luke žil v prostredí bohatom na železo. Bola identifikovaná ďalšia skupina proteínov zapojených do metabolizmu cukru: glykozylázy a hydrolázy. Tieto enzýmy v moderných bunkách sú dôležité pre syntézu bunkovej steny, čo môže naznačovať existenciu primitívnej bunkovej steny v LUCA.
Veľká prizmatická jar je typickým archaeanským biotopom
Foto: Jim Urquhart / Reuters
Zistenia vedcov potvrdzujú množstvo dôležitých téz. Zhluky FeS, ako aj prechodné kovy v zložení kofaktorov, sú dedičstvom starovekého metabolizmu. Prvé živé organizmy vznikli v hydrotermálnych prieduchoch. Chemické reakcie vyskytujúce sa na hranici vodného prostredia a skalnaté horniny vytvorili podmienky pre vznik života. Prvými predstaviteľmi baktérií a archaea boli autotrofy, ktoré záviseli od vodíka a používali oxid uhličitý ako terminálny akceptor v energetickom metabolizme (u zvierat a rastlín túto úlohu hrá inhalovaný kyslík).
Vybudované fylogenetické stromy neumožnili identifikáciu proteínov charakteristických pre LUCA, ktoré sa podieľali na syntéze aminokyselín, ktoré tvoria proteíny a nukleozidy, ktoré tvoria DNA a RNA. Univerzálny predok sa napriek tomu mohol vytvoriť z tých komponentov, ktoré sa vytvorili v dôsledku spontánnych chemických procesov charakteristických pre ranú Zem.
Je zaujímavé, že výsledky nemeckých biológov sú v rozpore so zisteniami francúzskych vedcov uverejnených v roku 2008. Pripisovali cibuľu organizmom, ktoré uprednostňujú mierne teploty (menej ako 50 stupňov Celzia). Predpokladalo sa, že LUCA nemôže byť termofilom, pretože jeho proteíny nie sú rezistentné na vysoké teploty. V rovnakom čase mohli predkovia baktérií a archaea žiť vo veľmi horúcom prostredí. Nová práca nevenuje pozornosť okamžitej stabilite enzýmov, ale tým, za akých podmienok sú tieto proteíny charakteristické.
Alexander Enikeev