Teadlased: elutekke müstika on eluta looduse olemusse peidetud

Biomolekulide teke ja nende reaktsioonid kopeerivad eluta looduses välja kujunenud protsesse – võib öelda, et sinna see elu maetud ongi. Foto: Marek Strandberg Dall-E tehisaru abil

Elu päritolu Maal on olnud teadlastele juba ammu mõistatus. Oluline küsimus on, kui palju Maa elu ajaloost on aja jooksul kaduma läinud. On üsna tavaline, et üks liik «loobub» biokeemilise reaktsiooni kasutamisest, ja kui see juhtub piisavalt paljude liikidega, võib elu Maal sellised reaktsioonid lihtsalt kaduvalt «unustada». Kuid kui biokeemia ajalugu on täis unustatud reaktsioone, kas oleks mingit võimalust seda kindlaks teha millised need unustuse hõlma vajunud portsessid eluslooduses olnud on?

See küsimus inspireeris teadlasi Tokyo Tehnoloogiainstituudi juures asuvast Earth-Life Science Institute'ist (ELSI) ja California Tehnoloogiainstituudist (CalTech) USA-s. Nad järeldasid, et unustatud keemia ilmneks katkemiste või «murdumistena» keemia teel lihtsatest geokeemilistest molekulidest keerukate bioloogiliste molekulideni. Nagu tadlased kindlaks tegid on eluta looduses vaid mõned reaktsioonid, mille olemuse ümber on kujunenud täna nähtavad ja teadaolevad biokeemilised reaktsioonid. Just see seos võimaldab edaspidi välja nuhkida ka need oletatavad protsessid, mis tänaseks on eluslooduse näitelavalt kadunud.

Varane Maa oli rikas lihtsate ühendite poolest nagu vesiniksulfiid, ammoniaak ja süsinikdioksiid – molekulid, mida tavaliselt ei seostata eluga. Kuid miljardeid aastaid tagasi tugines varajane elu neile lihtsatele molekulidele kui toorainele. Elu arenedes muutsid biokeemilised protsessid need eelkäijad järk-järgult ühenditeks, mida leidub siiani. Need protsessid esindavad varaseimaid metabolismiradu.

Et modelleerida biokeemia ajalugu, vajasid ELSI teadlased – erakorralised dotsendid Harrison B. Smith ja Liam M. Longo ning dotsent Shawn Erin McGlynn koostöös CalTechi teaduri Joshua Goldfordiga – kõigi teadaolevate biokeemiliste reaktsioonide inventuuri, et mõista, millist keemiat elu suudab tekitada. Nad uurisid Kyoto geenide ja genoomide entsüklopeedia (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes ehk KEGG) andmebaasi, mis on katalooginud rohkem kui 12 000 biokeemilist reaktsiooni. Reaktsioonid käes, hakkasid nad modelleerima metabolismi järkjärgulist arengut.

Varasemad katsed modelleerida metabolismi evolutsiooni sel viisil olid paraku ebaõnnestunud, et leida kaasaegse elu poolt kasutatavaid kõige levinumaid ja keerukamaid molekule. Põhjus ei olnud siiski täiesti selge. Nii nagu varem, leidsid teadlased oma mudelit käivitades, et saadi ainult mõned üksikud ühendid. Üks viis selle probleemi lahendamiseks on kaasaegsete ühendite käsitsi lisamine keemilise protsessi ergutamiseks. Teadlased valisid teise lähenemisviisi: nad tahtsid kindlaks teha, kui palju reaktsioone oli puudu. Ja nende otsing viis nad tagasi ühe kõige olulisema molekulini kogu biokeemias: see on adenosiintrifosfaat (adenosine triphosphate ehk ATP).

ATP on raku energiavaluuta, sest seda saab kasutada reaktsioonide juhtimiseks – näiteks valkude ehitamiseks –, mis muidu vees ei toimuks. Kuid ATP-l on ainulaadne omadus: ATP-d moodustavad reaktsioonid ise vajavad ATP-d. Teisisõnu, kui ATP-d pole juba olemas, ei ole tänapäeva elu jaoks muud viisi ATP tootmiseks. See tsükliline sõltuvus oli põhjuseks, mis sai mudelile piduriks.

Kuidas saaks seda «ATP pudelikaela» lahendada? Selgub, et ATP reaktiivne osa on märkimisväärselt sarnane ühe anorgaanilise ühendiga – polüfosfaadiga. Lubades ATP-d genereerivatel reaktsioonidel kasutada polüfosfaati ATP asemel – muutes kokku vaid kaheksat reaktsiooni – oli võimalik saavutada peaaegu kogu kaasaegne elusloodude baas-metabolism. Teadlased suutsid siis hinnata kõigi tavaliste metaboliitide suhtelisi vanuseid ja esitada täpseid küsimusi metabolismiradade ajaloo kohta.

Üks selline küsimus on, kas bioloogilised rajad kujunesid lineaarse mudelina – milles üks reaktsioon lisatakse teisele järjestikuliselt – või kui radade reaktsioonid tekkisid mosaiigina, milles erineva vanusega reaktsioonid on ühendatud uueks. Teadlased suutsid seda kvantifitseerida, leides, et mõlemat tüüpi rajad on kogu metabolismi ulatuses peaaegu võrdselt levinud.

Aga tagasi küsimuse juurde, mis inspireeris uuringut – kui palju biokeemiat on ajas kaduma läinud? «Me ei pruugi kunagi täpselt teada, kuid meie uurimus andis olulise tõendi: ainult kaheksa uut reaktsiooni, mis kõik meenutavad tavalisi biokeemilisi reaktsioone, on vajalikud, et ületada lõhe geokeemia ja biokeemia vahel,» ütleb Smith. «See ei tõesta, et kadunud biokeemia jalajälg on väike, kuid see näitab, et isegi väljasurnud biokemilised reaktsioonid saab taasavastada kaasaegse biokeemia poolt jäetud vihjetest,» lõpetab Smith.

Allikas: Eurekalert