Ученые обнаружил белковые строительные блоки, которые дали начало самой ранней жизни на Земле

Хотя белки, которые создают жизнь на Земле, кажется, изменяются бесконечно, есть несколько общих черт. Исследователи говорят, что они обнаружили, какие простые белки присутствовали, когда жизнь на Земле впервые начала диверсифицироваться.

Авторы исследования утверждают, что эти доисторические белки представляют собой более мелкие фрагменты молекул, которые мы сегодня знаем как «ферменты» - материалы, которые облегчают химические реакции в живых организмах. Похоже, что при выделении фрагменты действуют так же, как ферменты. В частности, два из них - один, который связывает железо с серой, а другой, который помогает нуклеотидам (основным частям ДНК), - могут быть двумя из самых старых ферментов на Земле.

Все еще присутствующие в ферментах, работающих сегодня, эти два фрагмента являются основными элементами строительных блоков жизни. Они могут функционировать в одиночку, но исследователи говорят, что они позволили построить широкий спектр сложных белковых структур, присутствующих на Земле сегодня.

Белки составляют большую часть нашего тела. Они структурируют органы, борются с инфекциями и, во многих случаях, проводят химические реакции и регулируют взаимодействие других молекул.

Но не ждите, что археологи скоро выкопают окаменелости белков, которые образовались 3,5 млрд лет назад, когда на Земле впервые появилась жизнь. В конечном счете, вывод к этому исследованию является математическим прогнозом, говорит соавтор исследования Викас Нанда, биолог из Университета Рутгерса.

«Это научный вызов», - говорит Нанда. «Есть вероятность, что эти фрагменты - единственные, которые могут облегчить выполнение некоторых жизненно важных функций - образуются независимо от места их обитания. Если это окажется правдой, это исследование может также показывать, на что ученые должны обращать внимание при поиске жизни на других планетах».

До того, как существовала ранняя клеточная жизнь, существовали ферменты, особенно те, которые "толкают" электроны и в конечном итоге приводят к превращению пищи в энергию. Поскольку этот процесс важен для жизни, Нанда и его команда изучили современные ферменты, ответственные за эти задачи, чтобы увидеть, есть ли у них более основные компоненты.

Команда исследовала белки, собранные в глобальной базе данных, и разбила их на мелкие функциональные части. Затем команда искала несколько отдельных элементов, которые встречались в ряде более крупных конструкций, вроде поиска гаек и болтов, которые являются общими для всех моделей автомобилей. Каждая маленькая, общая деталь отвечает за одну задачу - например, связывание железа, меди или другого металла.

Когда Нанда и его команда наметили, какие популярные фрагменты ферментов полагаются друг на друга для выполнения своих задач, фермент, связывающий железо и фермент соединяющий фрагменты ДНК, оказались в центре их диаграммы. Этот центральный статус означает, что окружающие ферменты нуждались в этих двух ядрах, чтобы функционировать - что, в свою очередь, говорит о том, что они, скорее всего, являются частями, которые появятся первыми на временной шкале Земли. Будучи одними из первых ферментов, которые приводят в действие химические реакции, они обеспечивают побочные продукты, необходимые для других, более поздних ферментов, для выполнения своих собственных независимых задач.

«Ранние условия на Земле обеспечивают убедительную поддержку выводов команды. Например, геологи считают, что ранние океаны были полны железа - поэтому имеет смысл, что основной фермент работает с этим элементом», - говорит Нанда. «Поскольку океаны потеряли металл, жизнь должна была научиться работать с другими металлами, такими как медь и никель».

Чтобы увидеть, могут ли эти фрагменты ферментов работать самостоятельно, Нанда и его команда собрали и протестировали их. 

«Сначала я скептически относился к тому, что это сработает», - говорит Нанда. «Я думал, что мы сделаем энзимы и будем нянчить их, чтобы заставить их работать».

Вместо этого они кажутся долговечными и компетентными в перемещении электронов в одиночку в лабораторных условиях. Это имеет смысл, говорит Нанда: 

«Если вы маленький пептид на скалистой поверхности в раннем океане, и у вас нет клетки, чтобы защитить вас, то вам нужно быть крепким, чтобы выжить».

Теперь команда думает, что сегодняшние более крупные и сложные ферменты - полные машины, сделанные из этих универсальных гаек и болтов - эволюционировали, потому что жизнь становилась все более сложной, и белкам приходилось общаться с большим количеством молекул.

Если эти самые основные части необходимы для продолжения жизни, то исследователи могут обнаружить их, ища жизнь на других планетах.

«Возможно, конечные продукты этих действий не превратятся в открытия каких-либо форм жизни, похожих на наши растения, животных и людей», - говорит Нанда. «Скорее, поиск строительных блоков может помочь исследователям узнать, на что обращать внимание при поиске жизни в Солнечной системе».

На данный момент Нанда и его команда планируют погрузиться в карту связи, которую они составили, и извлечь всю возможную информацию из этих отношений, пишет журнал Discover.

«Каждое соединение представляет собой нечто, что должно было развиваться для новой функции, и каждое из них - выбор, сделанный природой», - говорит Нанда. «У меня много данных».