Инициированные металлами химические реакции могут объяснить происхождение жизни

Фото из открытых источников

В химии жизни есть неожиданный участник: фосфат. Эта простая молекула фосфора и четырех атомов кислорода скрепляет нуклеотиды, образуя основу ДНК, и играет ключевую роль в обеспечении живых клеток энергией. Однако фосфат плохо растворяется в воде и вступает в реакции — не самые лучшие условия для важной роли в биохимии. 

Теперь эволюционный биолог Уильям Мартин считает, что знает, как жизнь стала зависеть от фосфата. По его словам, это произошло в результате реакций, катализируемых металлами, на дне глубоководных океанов, в раскаленных, насыщенных минералами гейзерах, известных как гидротермальные источники, где, как он давно утверждает, зародилась жизнь.

Идея Мартина, описанная им в серии препринтов, является «необычным и многообещающим» ответом на проблему фосфатов, которая беспокоила исследования происхождения жизни, говорит геолог Мэтт Пасек из Политехнического института Ренсселера (RPI). Но, как и у всех сценариев ранней химии жизни, у нее есть конкуренты, в том числе и от Пасека.

Разгадка механизма этого процесса появилась у Мартина еще в 2000 году, когда микробиолог Бернхард Шинке и Михаэль Фридрих из Университета Констанца обнаружили бактерию, которая необычным образом синтезирует АДФ — богатую фосфатами молекулу, являющуюся основным источником энергии для всех клеток. Микроорганизм, выделенный из морского источника в Венеции, Италия, превращает фосфит в фосфат. В этом процессе он добавляет фосфатную группу к простой молекуле, называемой аденозинмонофосфатом (АМФ), превращая ее в АДФ, который, в свою очередь, является ключевым предшественником АТФ — основного источника энергии клетки. Эта бактериальная трансформация АМФ была беспрецедентной в то время, хотя Шинке с тех пор обнаружил второй микроорганизм, способный на это, говорит он.

В 2023 году команда Шинке охарактеризовала бактериальный фермент, катализирующий реакцию АМФ с фосфитом с образованием АДФ. Вдохновленная этим открытием, команда Мартина выдвинула гипотезу, что, возможно, на заре жизни металлы в породах гидротермальных источников делали то же, что и этот бактериальный фермент сейчас: улавливали энергию превращения фосфита в фосфат для образования АДФ.

Эта идея согласуется с более широкой гипотезой, которую исследовала команда Мартина, о том, что на ранних этапах эволюции жизни, еще до появления генов или ферментов, металлы в гидротермальных источниках могли катализировать реакции, в результате которых образовались первые биомолекулы. Впоследствии появились ферменты и органические кофакторы, которые заменили металлы, сделав реакции более эффективными и специфичными.

Мартин и Манон Шликкер протестировали различные металлы, чтобы выяснить, помогают ли они фосфиту вступать в реакцию и превращать АМФ в АДФ. Они обнаружили, что никель оказался несколько эффективным катализатором, но палладий, обладающий схожими свойствами, действительно справился с задачей: он катализировал связывание фосфата с важными биомолекулами — сахаром рибозой, используемым для синтеза РНК и ДНК, а также глюкозой, АМФ, креатином и ацетатом — при концентрациях биомолекул, часто равных типичным для бактериальных клеток.

Но действительно ли каталитические металлы, обнаруженные в гидротермальных источниках, являются тем типом источников, где, по мнению Мартина, зародилась жизнь? Он сосредоточил свое внимание на «серпентинизирующих» источниках, где вода реагирует с богатыми железом породами из мантии Земли, производя большое количество водорода — источника энергии для ранней жизни. И недавние открытия показывают, что эти источники действительно содержат никель, палладий и многие другие металлы.

«То, что мы видим, просто поразительно», — говорит Кэти Эванс, геолог из Университета Кертина, чья команда недавно проанализировала мельчайшие богатые металлами зерна в мантийных породах этих жерл. «И есть много признаков, которые заставляют нас думать, что это могут быть хорошие катализаторы, потому что здесь большая площадь поверхности. Здесь есть нечто, находящееся в состоянии, которое явно активно взаимодействует с жидкостями в серпентинизирующей среде».

Помимо металлических катализаторов, решение Мартина проблемы фосфатов требует присутствия фосфита. А 4 года назад команда Пасека из RPI показала, что фосфит действительно встречается в некоторых серпентинизированных породах. Короче говоря, эти гидротермальные источники объединяют все необходимые элементы для проведения реакций, которые включают фосфат в основные биохимические процессы — и это происходит способом, принципиально напоминающим то, как это делают некоторые современные микроорганизмы.

Пасек не убежден, что эта реакция — единственный способ, которым жизнь могла бы решить проблему фосфатов. Его собственное предложение, опубликованное в прошлом году, включает в себя соединения фосфора, называемые амидофосфитами. Химия Пасека, как и теория Мартина, также по сути окисляет фосфит — просто в других условиях. Но Мартин не убежден, что условия, описанные Пасеком, существовали миллионы лет назад. Для этих реакций требуются «очень сильные окислители, которые, по всем стандартным данным, в значительной степени не существовали на молодой, бесплодной, безжизненной Земле», — говорит Мартин. Тем не менее, он считает, что палладий в гидротермальных источниках может катализировать реакцию амидофосфита Пасека.

Пасек также сохраняет непредвзятость. «Я бы сказал, что у проблемы фосфатов много решений. Мы не знаем, какое из них является решением, или есть ли что-то еще, чего мы пока даже не понимаем», — говорит он.

Для Мартина ключевая идея заключается в том, что любая правдоподобная пребиотическая химия должна быть похожа на то, что делают клетки сегодня. Если пребиотический синтез биомолекул происходит посредством совершенно другого механизма, то ученым придется признать, что «клеточный метаболизм возник дважды». Учитывая его сложность, повторное изобретение маловероятно, говорит он. «Эта штука, называемая метаболизмом, так же консервативна, как и генетический код».