O nouă teorie despre originea vieții pe Pământ
Potrivit unor oameni de știință, metabolismul ar fi putut apărea în mod spontan: o teorie controversată care ar putea schimba însăși definiția vieții de pe planeta noastră.
Dovezi ale celor mai vechi forme de viață posibile de pe Pământ au fost găsite în apropierea fisurilor hidrotermale.
Fisurile hidrotermale active de pe fundul oceanului, precum acest “horn” de aproximativ 30 de metri înălțime situat în câmpul hidrotermal Lost City (Orașul Pierdut) din Oceanul Atlantic, produc rapid molecule organice simple care ar fi putut juca un rol cheie în apariția vieții pe Pământ. “Hornul” este acoperit cu depuneri de carbonat dendritic care se formează atunci când fluidele de aerisire bogate în minerale se infiltrează prin fisuri și intră în contact cu apa rece a oceanului.
Markus Ralser nu a intenționat niciodată să studieze originea vieții. Cercetările sale s-au concentrat asupra modului în care celulele se hrănesc și asupra modului în care aceste procese pot funcționa defectuos în organismele stresate sau bolnave. Dar acum vreo zece ani, din pură întâmplare, Ralser și echipa sa au făcut o descoperire surprinzătoare.
Grupul, având atunci sediul la Universitatea din Cambridge, studia glicoliza (proces de descompunere a glucozei în cadrul metabolismului general), un proces care descompune zahărul printr-o serie de reacții chimice, eliberând energie care poate fi apoi folosită de celule. Când au folosit tehnici sensibile în efortul de a urmări numeroșii pași ai acestui proces, au fost surprinși să constate că unele reacții păreau să „se petreacă spontan”, spune Ralser, care acum are sediul la Institutul Francis Crick din Londra. În experimentele de control în care unele dintre moleculele necesare reacțiilor chimice nu au fost prezente, au mai avut loc părți ale procesului de glicoliză.
„Asta nu poate fi adevărat”, i-au răspuns alți oameni de știință lui Ralser.
Fiecare celulă vie are un fel de motor chimic în ea. Acest lucru este la fel de adevărat pentru un neuron dintr-un creier uman, cât și pentru cea mai simplă dintre bacterii. Aceste motoare chimice alimentează metabolismul, adică toate procesele care transformă o sursă de energie precum alimentele în elemente utile și astfel construiesc celule. Evident, procesele metabolice, inclusiv glicoliza, necesită un sistem microscopic sofisticat pentru a funcționa. Însă echipa lui Ralser a descoperit că unul dintre aceste motoare era capabil să funcționeze singur, în absența mai multor molecule complexe pe care oamenii de știință le-au considerat necesare.
De la această descoperire fortuită, un val de entuziasm a pus stăpânire pe cercetătorii care studiază originile vieții. La urma urmei, dacă s-ar fi putut întâmpla într-o eprubetă, poate s-a întâmplat și în urmă cu miliarde de ani într-un orificiu vulcanic din adâncul mării, în izvoarele termale de pe Pământ sau în orice alt loc cu multă activitate chimică și materie organică.. S-ar putea chiar ca reacțiile metabolice să fi inițiat lanțul de evenimente care au dus la nașterea vieții pe planeta noastră.
Unele echipe se străduiesc acum să producă aceste motoare chimice de la zero. Pe lângă glicoliză, oamenii de știință au recreat părți ale altor procese celulare fundamentale, inclusiv ciclul invers al acidului citric sau ciclul Krebs invers, despre care se crede că a apărut pentru prima dată în celule foarte vechi.
Acest nou domeniu fascinant de cercetare îi determină pe oamenii de știință să regândească pașii care ar fi putut duce la crearea primului organism viu și îi obligă să se confrunte din nou cu o veche întrebare: cum definim viața?
ORIGINI ENIGMATICE
Originea vieții este unul dintre cele mai mari mistere ale științei. Știm că acest fenomen a avut loc la începutul istoriei planetei noastre, deoarece în roci au fost descoperite fosile de microorganisme care datează de 3,5 miliarde de ani, sau doar la un miliard de ani după formarea Pământului. Ceea ce rămâne neclar, însă, este cum și unde s-a întâmplat acest lucru.
Una dintre principalele probleme este că organismele vii sunt incredibil de complicate. Chiar și cea mai simplă celulă bacteriană are sute de gene și mii de molecule diferite. Toate aceste elemente lucrează între ele într-un fel de dans complex: ele aduc hrană în celulă și evacuează deșeurile, repară daunele, copiază genele și multe altele.
Un studiu publicat în 2021, care compară ADN-urile a 1.089 de bacterii, care sunt cele mai simple organisme vii, ilustrează amploarea acestei complexități. Cercetătorii, conduși de bioinginerul Joana C. Xavier, care se afla pe atunci la Universitatea Heinrich Heine din Düsseldorf, Germania, au căutat familii de proteine comune tuturor speciilor de bacterii, care ar putea fi foarte vechi, datând de peste trei miliarde de ani, până la ultimul strămoș comun al tuturor bacteriilor. Ei au găsit 146 de familii de astfel de proteine, ceea ce a relevat că primele bacterii erau deja extrem de complexe, și produsul unei perioade lungi de evoluție.
Lacurile bogate în carbonați și fosfor, precum Lacul Mono din California, ar fi fost obișnuite pe Pământul timpuriu, oferind probabil un mediu propice pentru formarea vieții.
Toate ipotezele despre originea vieții încearcă să lase deoparte toată această complexitate și să-și imagineze ceva mult mai simplu, care s-ar fi putut întâmpla în mod spontan. Dificultatea este de a determina cum ar fi arătat această proto-viață. Ce părți ale celulelor vii pe care le cunoaștem astăzi au fost primele care s-au format?
Au fost prezentate multe idei pentru a răspunde la această întrebare, inclusiv cea a unei molecule capabile să se copieze singură, cum ar fi o catenă (lanț) de ARN, sau chiar cea a unei „bule” sau a unei „picături”.» de grăsime care ar fi putut juca un rol de structură în cadrul căreia s-ar fi putut forma o celulă. Totuși, tot mai mulți oameni de știință cred că, chiar înainte de existența genelor sau a pereților celulari, primul lucru de care avea nevoie viața pentru a exista era un motor.
PRIMUL METABOLISM
Viața este, în esență, activă. Chiar și în organismele aparent constante precum copacii, există o activitate intensă la nivel microscopic.
Xavier, care acum are sediul la University College din Londra, compară o celulă vie cu o cană de apă al cărei fund are un orificiu și este plasată sub un robinet deschis. Dacă cele două debite sunt egale, volumul de apă conținut în cană rămâne mereu același, „dar are loc permanent o transformare”.
În același mod, toate ființele vii absorb nutrienții pe care îi folosesc pentru a-și construi și repara corpul. Pentru oameni, acest lucru implică ingerarea alimentelor și apoi folosirea sistemului digestiv pentru a le descompune și a le transforma în substanțe chimice simple, care pot fi apoi folosite de corpul nostru.
Alte organisme își obțin energia din lumina soarelui sau din substanțe chimice precum metanul, dar principiul este același. Mii de reacții transformă constant o substanță în alta și aduc ceea ce este necesar, acolo unde este nevoie. Toate aceste procese alcătuiesc metabolismul unui organism. Dacă metabolismul nu mai funcționează, organismul moare.
Chimia metabolismului este atât de fundamentală pentru viață, încât mulți cercetători cred că este esențială pentru primele celule vii. Potrivit acestora, odată cu lansarea unui motor metabolic, acesta ar fi putut crea și alte substanțe necesare vieții și, încetul cu încetul, celulele s-ar fi asamblat singure, explică Joseph Moran de la Universitatea din Strasbourg.
Cu toate acestea, toate teoriile care cred că metabolismul este ceea ce a creat viața au o singură problemă: metabolismul, ca și viața, este extrem de complex. În studiul lui Xavier despre cel mai vechi strămoș comun al bacteriilor, omul de știință a estimat că genele acestui organism antic ar putea produce 243 de substanțe chimice prin procese metabolice, dar și să le transforme unele în altele.
Archaea au fost primele bacterii procariote, găsite supraviețuind în condiții extreme, precum în apropierea gheizerelor vulcanice.
Chiar și căile metabolice individuale sunt complexe. Acesta este, de exemplu, cazul ciclului acidului citric, sau ciclului Krebs, care este una dintre modalitățile prin care celulele pot extrage energie din nutrienți. După cum sugerează și numele, ciclul începe cu acidul citric, substanța chimică care conferă fructelor citrice gustul înțepător. Acesta este transformat într-o a doua substanță, acidul cis-aconitic, apoi în alte șapte substanțe înainte ca ultimul pas să recreeze acidul citric. În timpul acestui proces, substanțele biochimice sunt produse și distribuite în restul celulei.
Este greu de imaginat cum ar fi putut începe un proces atât de complex. Pentru a complica lucrurile și mai mult, fiecare pas este controlat de o moleculă, numită enzimă, care accelerează reacțiile chimice în cauză. Pentru ca un proces precum ciclul Krebs să funcționeze, sunt necesare enzime. Dar enzimele sunt molecule complicate care pot fi produse doar prin metabolism, care este controlat de gene.
Prin urmare, oamenii de știință se confruntă cu o versiune biochimică a dilemei: cine a existat mai întâi oul sau găina? Care a fost primul: motorul chimic care permite crearea celulei sau mecanismele celulare care permit crearea motorului?
RECREAREA MOTOARELOR VIEȚII
După ce au făcut prima descoperire la începutul anilor 2010, Ralser și echipa sa au decis să studieze mai precis reacțiile metabolice care ar putea funcționa singure. Ei au dizolvat în apă pură, fiecare pe cont propriu, douăsprezece substanțe chimice diferite care sunt utilizate în timpul glicolizei. Apoi au încălzit probele la 70°C timp de cinci ore, imitând condițiile din jurul unui vulcan subacvatic. În experimente au început să apară șaptesprezece reacții chimice, care decurg din glicoliză sau dintr-o cale metabolică asociată.
Ralser a contactat-o apoi pe Alexandra Turchyn, geochimist la Universitatea din Cambridge, care i-a oferit o listă de substanțe chimice despre care se crede că au fost dizolvate în oceanul primordial, inclusiv metale precum fierul și sodiul. Echipa le-a adăugat în mixurile lor pentru a vedea dacă permit reacțiilor să funcționeze mai bine.
„A funcționat doar unul: fierul”, spune Ralser. Până în 2014, au reușit să facă să funcționeze douăzeci și opt de reacții, inclusiv un ciclu metabolic complet. Echipa s-a bazat pe primele rezultate, arătând în 2017 că ar putea realiza o versiune a ciclului acidului citric bazată pe sulfati și că ar putea sintetiza glucoză din substanțe chimice mai simple într-un proces numit gluconeogeneză, deși acesta din urmă trebuia realizat în gheaţă.
Ideea ciclurilor metabolice fără enzime a fost apoi preluată de Moran la Universitatea din Strasbourg, în colaborare cu fosta sa studentă Kamila Muchowska. Ei au realizat progrese similare cu alte procese metabolice, precum calea acetil-CoA (acetil coenzima A), care transformă dioxidul de carbon în acetil-CoA, una dintre cele mai importante substanțe chimice din metabolism.
Dar dintre numeroasele mecanisme ale vieții, oamenii de știință s-au întors iar și iar la ciclul invers al acidului citric. Unele bacterii folosesc acest proces, care funcționează ca ciclul acidului citric, dar în sens invers, pentru a face compuși complecși de carbon din dioxid de carbon și apă. Și unele dovezi arată că acest proces este extrem de vechi.
La fel ca Ralser, Moran și Muchowska au folosit metale precum fierul pentru a crea reacții chimice în laboratorul lor. În 2017, au reușit să declanșeze șase dintre cele unsprezece reacții inverse ale ciclului acidului citric și, doi ani mai târziu, au găsit reacții suplimentare.
„Nu am reprodus niciodată ciclul complet”, spune Moran. Dar se apropie.
NU CHIAR BIOLOGIE
În ciuda entuziasmului lor, oamenii de știință sunt împărțiți cu privire la posibilitatea ca cicluri celulare întregi să aibă loc, dacă nu au enzimele pentru a facilita procesul. Pentru Ramanarayanan Krishnamurthy de la Institutul de Cercetare Scripps din La Jolla, California, reproducerea doar a anumitor părți ale unui ciclu nu este convingătoare.
„Este ca și cum ai sparge un borcan de sticlă și ai spune: bucățile sunt din borcan, așa că pot reconstrui complet borcanul”, spune el.
Krishnamurthy și colegii săi încearcă abordări diferite. „Ne deconectăm de la biologie”, spune el, pentru că ceea ce se întâmplă în celule astăzi nu este un ghid perfect pentru ceea ce se întâmpla acolo cu miliarde de ani în urmă. „Voi lăsa doar chimia să mă ghideze. »
În 2018, echipa lui Krishnamurthy a demonstrat un nou motor metabolic care funcționează în două cicluri și fără enzime. „Ocolim unele dintre cele mai instabile molecule, unele dintre cele mai dificile etape pe care biologia este capabilă să le realizeze cu brio cu enzime evoluate foarte sofisticate”, spune Krishnamurthy. Potrivit acestuia, procesul în cauză ar putea fi un precursor antic al ciclului Krebs invers.
Mai nou, echipa sa a încercat să adauge cianură, despre care se crede că a fost abundentă pe Pământul primordial. Cercetările anterioare au arătat că cianura a fost capabilă să producă multe substanțe chimice ale vieții datorită reactivității sale ridicate, dar nu este sigur dacă a jucat într-adevăr un rol în originea vieții, deoarece este toxică pentru organismele vii. Cu toate acestea, echipa lui Krishnamurthy a arătat că cianura poate porni motoare metabolice care seamănă cu anumite funcții ale vieții.
Moran este sceptic față de această abordare, deoarece aceste motoare alternative nu produc unele dintre substanțele chimice care sunt fundamentale pentru viață. „Nu înțeleg de ce ar vrea cineva să facă asta”, a spus el.
Rămâne de văzut dacă versiunile complete ale tuturor ciclurilor metabolice actuale ar putea funcționa fără enzime sau dacă prima formă de viață a trebuit să se mulțumească cu versiuni alternative și simplificate, precum cele realizate de Krishnamurthy.
UN MOTOR VIU?
Capacitatea de a reproduce procesele vieții în forme simplificate ridică o întrebare crucială: în ce măsură putem numi sistemele chimice „viață”? Dacă un motor metabolic funcționează într-un flacon de sticlă, este cu adevărat viu?
Majoritatea oamenilor de știință ar spune nu. Pentru ca ceva să fie în viață, „trebuie să avem un sistem suficient de complex pentru ca acesta să poată metaboliza și să se reproducă”, spune Ralser. Un motor metabolic nu o poate face singur, dar este un pas către ceva care poate.
„Nimeni nu a definit cu adevărat ce este viața”, spune Krishnamurthy, și există atât de multe limite. De exemplu, multe definiții ale vieții afirmă că un organism trebuie să se poată reproduce, dar animalele cu reproducere sexuată nu se pot reproduce fără un partener: prin urmare, dacă respectăm aceste definiții ,literal, un iepure singur nu este în viață.
„Tot ce există între ce este neviu și ce este viu este un gradient”, spune Muchowska. Motoarele metabolice nu sunt complet neînsuflețite precum rocile și nici nu sunt complet vii ca bacteriile.
Viața, într-un fel, este un soi de accident chimic, un dans învolburat care nu s-a oprit de peste 3,5 miliarde de ani. Oricum o definim, acest dans continuă, perfecționând încet sistemul biologic care a creat nenumăratele și minunatele forme ale Pământului.
© CCC
***
Complexitatea extremă a mecanismelor chimice
Ciclul acidului citric, Ciclul Krebbs
Ciclul acidului citric – cunoscut și sub numele de ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul TCA), ciclul Krebbs, sau ciclul Szent-Györgyi-Krebs – este un ciclu de reacții chimice, care este folosit de către toate organismele aerobe pentru a genera energie prin oxidarea acetatului provenit din carbohidrați, grăsimi și proteine în dioxid de carbon și electroni. În plus, ciclul furnizează precursori pentru biosinteză, incluzând aici anumiți aminoacizi, precum și agentul de reducere NADH, care este implicat în numeroase reacții biochimice. Importanța acestuia din urmă, pentru mai multe căi metabolice, sugerează că a fost unul dintre cele mai timpurii componente ale metabolismului celular și poate avea origine abiogenică.
Numele acestei căi metabolice este derivat de la acidul citric (un acid tricarboxilic) care este mai întâi consumat și apoi regenerat prin această secvență de reacții pentru a completa ciclul. În plus, în ciclu se consumă acetat (sub formă de acetil-CoA) și apă, se reduce NAD+ la NADH, și se produce dioxid de carbon. NADH-ul generat prin ciclul acizilor tricarboxilici este utilizat ulterior în procesele de fosforilare oxidativă. Rezultatul net al acestor două căi strâns legate este oxidarea de substanțe nutritive pentru a produce energie sub formă de ATP.
În celulele eucariote, ciclul acidului citric are loc în matricea mitocondriei. Bacteriile utilizează, de asemenea, ciclul TCA de generare a energiei dar, în lipsa mitocondriilor, secvența de reacție se efectuează în citosol.
Componentele și reacțiile ciclului acidului citric au fost stabilite în 1930 de către laureații Premiului Nobel Albert Szent-Györgyi și Hans Adolf Krebs.
Ciclul invers al acidului citric, Ciclul Krebs invers
Ciclul Krebs invers este o cale metabolică ciclică prin care unele bacterii fixează dioxidul de carbon CO2 și apă H2O sub formă de acetil-CoA folosind hidrogen H2, ionul sulfurat S2- sau ionul tiosulfat S2O3 2- ca donatori de electroni, conform unui mecanism care urmează ciclul Krebs în direcția opusă pentru a constitui o alternativă marginală la ciclul Calvin.
Ciclul Calvin este o etapă din fotosinteză care cuprinde acele reacții chimice de conversie a dioxidului de carbon la glucoză. Are loc în toate organismele eucariote fotosintetizatoare, dar și la bacteriile fotosintetizatoare. La plante, aceste reacții au loc în stroma cloroplastelor.