Biologer kämpar fortfarande med mysteriet om livets ursprung på jorden. Det är nödvändigt att förstå hur primitiva bakterier och andra livsformer har sitt ursprung. Lite är känt om förfäderorganismen, men genomik tillåter oss att ta reda på något om de mest forntida varelserna som bebod världen i gryningen av dess existens. "Lenta.ru" berättar om en artikel publicerad i tidskriften Nature, där författarna försöker besvara frågan om vem LUCA (sista universella gemensamma förfäder) var, Luca är den gemensamma förfäderna till alla moderna organismer.
Det fanns ännu inte tre livsområden (superkungariker) - bakterier, archaea och eukaryoter, men han fanns redan. Denna organisme är en mellanlänk mellan den livliga miljön i den tidiga jorden och de första mikroberna som levde i stenar för 3–3,5 miljarder år sedan. Det är inte känt hur Luke såg ut och under vilka förhållanden han levde. Forskare, som detektiver, har rekonstruerat sina grundläggande funktioner bit för bit. Vi fortsatte från följande princip: eftersom Luke är förfader till alla levande organismer, betyder det att de ärvde några drag från honom. Baserat på de biologiska egenskaper som ingår i varje levande varelse har biologer skapat ett porträtt av Luke: en encellig organism som liknar en bakterie.
En ny studie av tyska forskare gjorde det möjligt att klargöra den universella förfädernas interna organisation. Forskare har bestämt vilka gener som kan inkludera Lukas DNA. För att göra detta använde de en fylogenetisk strategi, med andra ord, analyserade de evolutionära förhållandena mellan olika typer av liv på jorden. Detta gjordes på följande sätt. Efter att ha fastställt vilka proteiner som kodas av det prokaryota genomet, valt biologer de som uppfyllde flera kriterier. Först måste proteinet finnas i de högre taxorna för både bakterier och archaea. För det andra, om vi konstruerar ett fylogenetiskt träd - ett diagram som återspeglar evolutionära förhållanden - bör bakterier och archaea som har detta protein bilda en monofyletisk grupp, det vill säga ha en gemensam förfader. Det senare tillståndet ökar sannolikheten för att samma proteiner var närvarande i Luke,och från honom överfördes till ättlingar.
Totalt analyserades mer än sex miljoner gener som kodar för proteiner och närvarade i 1 847 bakteriegener och 134 archaealgener. Av det totala bildade forskare 286 514 grupper (kluster), varav endast cirka 11 tusen innehöll bakteriella och archaealproteiner. När de fylogenetiska träden byggdes och proteingrupperna testades för att följa den monofyletiska principen återstod endast 335 kluster som uppfyllde de initiala villkoren. Alla proteiner i det slutliga provet, enligt biologer, var närvarande i LUCA-genomet. Det bör noteras att dessa kriterier inte utesluter möjligheten till horisontell genöverföring. Således kunde ett protein som först uppträdde i tidiga bakterier komma in i Archea och spridas bland representanter för var och en av domänerna, även om det aldrig fanns i Lukas kropp.
Biologer var intresserade av gener som utgör "informationskärnan" i cellerna i levande organismer. Vi talar om 19 proteiner som är involverade i syntesen av ribosomer, samt åtta enzymer som spelar en viktig roll i bildandet av transport-RNA (de flyttar aminosyror till konstruktionsplatserna för proteinmolekyler).
Svarta rökare
Kampanjvideo:
Foto: NOAA / Wikipedia
Lukas rekonstruerade genom antyder att det var en anaerob (anpassad till en syrefri miljö) varelse som fick den energi som behövdes för livet som ett resultat av kemosyntes - kemiska reaktioner som oxiderar mineraler. Uppenbarligen bodde den universella förfädern nära hydrotermiska ventiler, som svarta rökare. Detta indikeras av den eventuella förekomsten av gyraser i den - enzymer specifika för termofila (termofila) organismer. Även i LUCA fanns det troligtvis enzymer som möjliggör kemosyntes, där koldioxid är den enda källan till kol. I allmänhet kan denna organisme ta emot energi från gaser som väte, koldioxid och kväve.
Vissa av enzymerna innehåller järn-svavel-kluster (FeS) -kluster, som är en grupp kofaktormolekyler som specifikt binder till proteiner och bestämmer deras katalytiska aktivitet. Detta indikerar att Luke bodde i en järnrik miljö. En annan grupp proteiner involverade i sockermetabolismen har identifierats: glykosylaser och hydrolaser. Dessa enzymer i moderna celler är viktiga för syntesen av cellväggen, vilket kan indikera förekomsten av en primitiv cellvägg i LUCA.
The Great Prismatic Spring är en typisk arkeisk livsmiljö
Foto: Jim Urquhart / Reuters
Resultaten från forskarna bekräftar ett antal viktiga teser. FeS-kluster, liksom övergångsmetaller i sammansättningen av kofaktorer, är arvet från forntida metabolism. De första levande organismerna uppstod i hydrotermala ventiler. Kemiska reaktioner som inträffade vid gränsen till vattenmiljön och steniga stenar skapade förutsättningarna för livets uppkomst. De första representanterna för bakterier och archaea var autotrofer, beroende på väte och använde koldioxid som en terminal acceptor i energimetabolismen (hos djur och växter spelar inhalerat syre denna roll).
De konstruerade fylogenetiska träden gjorde det inte möjligt att isolera de proteiner som är karakteristiska för LUCA, som var involverade i syntesen av aminosyror som utgör proteiner och nukleosiderna som bildar DNA och RNA. Ändå kunde en universell förfader ha bildats av de komponenter som bildades som ett resultat av spontana kemiska processer som är karakteristiska för den tidiga jorden.
Intressant nog motsäger resultaten från tyska biologer resultaten från franska forskare som publicerades 2008. De tillskrev lök till organismer som föredrar måttliga temperaturer (mindre än 50 grader Celsius). Man trodde att LUCA inte kunde vara en termofil på grund av att dess proteiner inte var resistenta mot höga temperaturer. Samtidigt kunde förfäderna till bakterier och archaea ha levt i en mycket uppvärmd miljö. Det nya arbetet uppmärksammar inte enzyms omedelbara stabilitet utan på vilka miljöförhållanden dessa proteiner är karakteristiska för.
Alexander Enikeev
