Biologové stále bojují s tajemstvím původu života na Zemi. Je nutné pochopit, jak vznikly primitivní bakterie a jiné formy života. O progenitorovém organismu je známo jen málo, ale genomika nám umožňuje zjistit něco o nejstarších tvorech, které obývaly svět na úsvitu své existence. "Lenta.ru" vypráví o článku publikovaném v časopise Nature, ve kterém se autoři snaží odpovědět na otázku, kdo byl LUCA (poslední univerzální společný předek), Luca je univerzální společný předek všech moderních organismů.
Dosud neexistovaly tři oblasti života (super království) - bakterie, archaea a eukaryoty, ale již existoval. Tento organismus je prostředním spojením mezi neživým prostředím rané Země a prvními mikroby, které žily ve skalách před 3,8 až 3,5 miliardami let. Není známo, jak vypadal Luke a za jakých podmínek žil. Vědci, stejně jako detektivové, rekonstruovali své základní rysy kousek po kousku. Vycházeli jsme z následujícího principu: protože Lukáš je předchůdcem všech živých organismů, znamená to, že od něj zdědili některé rysy. Na základě biologických charakteristik každé živé bytosti vytvořili biologové portrét Luka: jednobuněčný organismus připomínající bakterii.
Nová studie německých vědců umožnila objasnit vnitřní organizaci univerzálního předka. Vědci určili, které geny mohou zahrnovat Lukeovu DNA. K tomu použili fylogenetický přístup, jinými slovy, analyzovali vývojové vztahy mezi různými typy života na Zemi. Bylo to provedeno následujícím způsobem. Biologové poté, co zjistili, které proteiny jsou kódovány prokaryotickým genomem, vybraly ty, které splňovaly několik kritérií. Nejprve musí být protein přítomen ve vyšších taxonech bakterií i archaea. Za druhé, pokud postavíme fylogenetický strom - diagram, který odráží evoluční vztahy - pak by bakterie a archaea, které mají tento protein, měly tvořit monofyletickou skupinu, tj. Mít společného předka. Druhá podmínka zvyšuje pravděpodobnost, že tyto stejné proteiny byly přítomny v Luke,a od něj byli předáváni potomkům.
Celkem bylo analyzováno více než šest milionů genů kódujících proteiny a přítomných v 1 847 bakteriálních a 134 archaálních genomech. Z celkového počtu vědci vytvořili 286 514 skupin (shluků), z nichž pouze asi 11 tisíc obsahovalo bakteriální a archaální proteiny. Když byly fylogenetické stromy postaveny a proteinové skupiny byly testovány podle monofyletického principu, zůstalo pouze 335 shluků, které splňovaly počáteční podmínky. Všechny proteiny ve finálním vzorku byly podle biologů přítomny v genomu LUCA. Je třeba poznamenat, že tato kritéria nevylučují možnost horizontálního přenosu genů. Protein, který se poprvé objevil v časných bakteriích, tak mohl vstoupit do archaea a rozšířit se mezi zástupci každé z domén, i když nikdy nebyl přítomen v Lukově těle.
Biologové se zajímali o geny, které tvoří „informační jádro“v buňkách živých organismů. Mluvíme o 19 proteinech podílejících se na syntéze ribozomů, stejně jako o osmi enzymech, které hrají hlavní roli při tvorbě transportní RNA (přesouvají aminokyseliny na místa konstrukce molekul proteinu).
Černí kuřáci
Propagační video:
Foto: NOAA / Wikipedia
Lukův rekonstruovaný genom naznačuje, že to byl anaerobní (přizpůsobený prostředí bez kyslíku) tvor, který dostal energii nezbytnou pro život v důsledku chemosyntézy - chemických reakcí, které oxidují minerály. Zdá se, že univerzální předek žil poblíž hydrotermálních průduchů jako černý kuřák. To je naznačeno možnou přítomností gyráz v ní - enzymů specifických pro termofilní (termofilní) organismy. Také v LUCA byly s největší pravděpodobností enzymy, které umožňují chemosyntézu, ve které je oxid uhličitý jediným zdrojem uhlíku. Obecně by tento organismus mohl přijímat energii z plynů, jako je vodík, oxid uhličitý a dusík.
Některé z těchto enzymů obsahují klastry železo-síra (FeS), což je skupina molekul kofaktorů, které se specificky vážou na proteiny a určují jejich katalytickou aktivitu. To naznačuje, že Luke žil v prostředí bohatém na železo. Byla identifikována další skupina proteinů podílejících se na metabolismu cukru: glykosylázy a hydrolázy. Tyto enzymy v moderních buňkách jsou důležité pro syntézu buněčné stěny, což může naznačovat existenci primitivní buněčné stěny v LUCA.
Velký prizmatický pramen je typickým archaeanským stanovištěm
Foto: Jim Urquhart / Reuters
Nálezy výzkumných pracovníků potvrzují řadu důležitých prací. Klastry FeS, stejně jako přechodné kovy ve složení kofaktorů, jsou odkazem starověkého metabolismu. První živé organismy vznikly v hydrotermálních průduchech. Chemické reakce probíhající na hranici vodního prostředí a skalnaté horniny vytvořily podmínky pro vznik života. Prvními představiteli bakterií a archaea byly autotrofy, závislé na vodíku a použití oxidu uhličitého jako terminálního akceptoru v energetickém metabolismu (u zvířat a rostlin tuto roli hraje inhalovaný kyslík).
Vytvořené fylogenetické stromy neumožnily izolovat proteiny charakteristické pro LUCA, které se účastnily syntézy aminokyselin, které tvoří proteiny, a nukleosidů, které tvoří DNA a RNA. Nicméně univerzální předek se mohl vytvořit z těch složek, které byly vytvořeny v důsledku spontánních chemických procesů charakteristických pro ranou Zemi.
Je zajímavé, že výsledky německých biologů jsou v rozporu s výsledky francouzských vědců zveřejněných v roce 2008. Připisovali cibuli organismům, které dávají přednost mírným teplotám (méně než 50 stupňů Celsia). Předpokládalo se, že LUCA nemůže být termofilem kvůli skutečnosti, že jeho proteiny nebyly rezistentní na vysoké teploty. Ve stejné době mohli předci bakterií a archaea žít ve vysoce zahřátém prostředí. Nová práce nevenuje pozornost okamžité stabilitě enzymů, ale tomu, za jakých podmínek jsou tyto proteiny charakteristické.
Alexander Enikeev