Микробиологи, похоже, решили загадку «курицы и яйца»
В науке популярна теория о том, что первая жизнь на Земле появилась в так называемом «первичном бульоне». Имеющиеся в этом бульоне элементы на базе углерода соединялись между собой в простые молекулы, пока в конечном итоге не положили начало зарождению примитивнейшей жизни. А вот дальнейший шаг в эволюции вызывает в среде ученых множество споров и дискуссий.
Согласно одной популярной гипотезе, молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), содержащие генетический код белков и способные исполнять функции простых химических реакций, явились тем, что положило начало жизни на нашей планете. Некоторые ученые отвергают эту идею и говорят о том, что РНК является слишком большой и комплексной структурой для того, чтобы иметь право носить звание катализатора жизни. По мнению этих ученых, еще до появления макромолекул в виде РНК более простые молекулы смогли развить возможность использовать метаболические функции, без которых никакого РНК не было бы. В целом данная идея выступает за то, что во главе всего, то есть самым первым появился именно метаболизм. И новые доказательства научной группы из Иллинойсского университета лишь подкрепляют эту идею.
«Все живые существа обладают метаболизмом, набором жизненно необходимых химических трансформаций, позволяющих обеспечивать эти организмы энергией и материей, необходимыми для функционирования клеток. Эти метаболические трансформации, скорее всего, появились на Земле очень рано. Возможно, что первые организмы позаимствовали химические реакции, уже имевшиеся на тот момент на планете, усвоив их в клетках через развитие ферментативной активности», — говорит Густаво Каэтано-Анольес, биоинформатик и профессор кафедры растениеводства Иллинойского университета.
Каэтано-Анольес и его коллега Ибрагим Коч из турецкого Технического университета Гебзе решили проверить теорию «первичности метаболизма» через анализ молекулярных функций организмов, представленных во всех царствах, и изучили геном (набор генов) 249 отдельных организмов, информация о которых представлена в базе данных проекта «Генной онтологии». Уникальной эту базу данных делает то, что в ней содержится не только информация о каждом продукте генов – белках или молекулах РНК, но также и описание функций каждого отдельного гена этих организмов.
«Вы можете взять целый геном, представленный в организме, например, человеческий, и визуализировать его через набор функциональных особенностей каждого отдельного гена. Исследование этих «функционов» может рассказать вам о том, что именно делает тот или иной ген. Например, мы можем выяснить, каким типом каталитических, распознающих или связующих функций обладает конкретный продукт гена, что является гораздо более интуитивным для исследования», — комментирует Каэтано-Анольес.
«Лучший способ понять живой организм – выяснить функции его генов», — продолжает ученый.
Со слов Каэтано-Анольеса, наличие одной и той же функции в геноме у разных видов может говорить об эволюционной важности этой функции. Таким образом исследователи изучили все молекулярные функции разбираемых организмов, подсчитали их, а также вывели те, которые встречались во всех случаях. Основная идея, стоящая за всем этим, заключается в том, что самыми первыми, то есть самыми базовыми функциями, такими как каталитические процессы, отвечавшие за появление метаболизма, вероятнее всего, были наделены все организмы того времени и, следовательно, будут обнаружены на всем протяжении так называемого древа жизни. В то же время те функции генов, которые появились уже позже всех остальных, наоборот, будут встречаться у меньшего числа видов живых организмов.
С помощью современных информационных и компьютерных методов исследователи создали древо, изображающее пути, ведущие к самым базовым молекулярным функциям. Ближе к основанию этого древа (то есть ближе к корням) находятся самые древние функции. Более «свежие» функции, в свою очередь, находятся ближе к его верхушке.
Оказалось, что у самого основания этого древа можно выделить только две молекулярные функции, которые, вероятнее всего, и положили начало жизни на Земле. Это метаболизм и молекулярные связи.
«Вполне логично предположить, что именно эти две функции появились первыми. Так как молекулам для производства энергии был необходим метаболизм. Кроме того, им было необходимо взаимодействовать друг с другом», — объясняет Каэтано-Анольес.
Следующими появились функции, которые делали возможным появление макромолекул. Именно здесь могла появиться РНК. Следом появились механизмы, позволившие молекулам интегрироваться в клетки, а затем и функции, которые позволяли клеткам взаимодействовать между собой и своим окружением.
«В конце концов, подбираясь к кроне дерева, мы видим функции, относящиеся к сложным процессам, включающим производство мышц, кожи или нервной системы», — говорит Каэтано-Анольес.
Своим исследованием ученые не просто проливают свет на прошлое жизни. Напомним, что эволюция продолжается до сих пор. Поэтому понимание последовательности формирования этих молекулярных функций сквозь время может помочь нам предсказать то, куда жизнь на Земле двинется дальше.
«Когда люди говорят об эволюции, они оглядываются назад. Нам же хотелось бы разработать хронологические и методологические модели, которые могли бы ответить на вопрос о том, куда же движется эволюция и появление каких новых молекулярных функций нам следует от нее ожидать в будущем», — комментирует Каэтано-Анольес.
Работа сегодняшних специалистов определенно сможет найти свое применение в биоинженерии, развивающейся сфере использования биологической информации и компьютерных вычислений для создания новых биологических форм. По словам Каэтано-Анольеса, разработка новых генов в будущем сможет на корню решить проблемы различных заболеваний и улучшить нашу повседневную жизнь.
«Ключ к эффективной перестройке нашего генома и наделении его новыми полезными молекулярными функциями заключается в понимании принципов работы простейших молекулярных форм жизни в прошлом», — подытоживает ученый.
Оригинал статьи Каэтано-Анольеса и Ибрагима Коча под названием «Естественная история молекулярных функций на базе обширного филогенетического анализа данных генной онтологии» была опубликована в журнале PLoS One.