Atklājumi.lv

Sens ferments apstiprina hipotēzi par dzīvības izcelšanos karstajos avotos

Vācu bioķīmiķi vairākiem mikrobiem atklāja neparastu, glikozes sintēzē iesaistītu fermentu ar divkāršu funkciju. Fermenta īpašības un tā saimniekorganismu atrašanās vieta dzīvo būtņu evolucionārajā kokā atbilst hipotēzei, kas apgalvo, ka dzīvība radusies karstajos vulkāniskajos avotos un pirmie dzīvie organismi bija hemoautotrofi, tas ir, ieguva enerģiju no vienkāršām oksidēšanās-reducēšanās reakcijām un patstāvīgi veidoja organiskās vielas no CO2.

Pieņēmums par karstiem, vulkāniskas cilmes avotiem kā dzīvības šūpuli, pēdējā laikā guvis vairākus apstiprinājumus. Dzelzs, niķeļa un sēra klātbūtnē karstajos ūdeņos varēja noritēt autokatalītiska oglekļa fiksācija (organisko vielu sintēze no CO2 vai CO). Starp senākajām baktēriju grupām ("agrajiem zariem") un arhejām ir daudz termofīlu - karsto avotu iedzīvotāju, kas patstāvīgi fiksē oglekli un dzīvībai nepieciešamo enerģiju gūst no bezskābekļa apstākļos noritošām oksidēšanās-reducēšanās reakcijām. Kā elektrona donoru šie mikrobi bieži izmanto molekulāro ūdeņradi vai tvana gāzi, bet kā oksidētāju - ogļskābo gāzi vai sēra savienojumus. Daudzi autori uzskata, ko šādu mikrobu vielmaiņa ir ārkārtīgi arhaiska un var tikt izmantota kā modelis senāko dzīvības evolūcijas posmu izpratnei (Martin et al., 2008. Hydrothermal vents and the origin of life; Wächtershäuser, 2006. Origin of Life: RNA World versus Autocatalytic Anabolism; Гидротермальные источники - колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006).

Autotrofie organismi, fiksējot ogļskābo gāzi, veido tādas trīs oglekļa atomus saturošas molekulas kā fosfoenolpiruvātu un 3-fosfoglicerātu, no kurām pēc tam sintezē glikozi. Glikozes sintēze (glikoneogenēze) būtībā ir otrādi apgriezta glikolīze (sk. zīmējumu). Glikolīzes gaitā glikoze tiek sašķelta trīs oglekļu atomu molekulās, un šajā procesā izdalījusies enerģija tiek saglabāta kā ATF. Glikoneoģenēzes procesā, tieši otrādi, enerģija tiek iztērēta un notiek glikozes sintēze no trīs oglekļa atomu molekulām. Visas reakcijā, kas zīmējumā ir attēlotas ar bultiņām, principā ir apgriezeniskas. Dažas no tām abos virzienos katalizē viens un tas pats ferments, citām tam ir nepieciešami dažādi fermenti. Reakcija, kas zīmējumā atzīmēta ar ciparu 4, pieder pirmajam tipam, reakcija 3 - otram.

Jautājums par to, kas parādījās agrāk - glikolīze vai glikoneoģenēze, ir svarīgs izpratnei par agrīnajiem dzīvības attīstības posmiem. Ja pirmās dzīvās būtnes bija heterotrofas un pārtika no abiogēnā veidā sintezētas organiskās vielas (no "pirmējā buljona"), loģiski pieņemt, ka glikolīze ir senāka par glikoneoģenēzi. Ja pirmie organismi bija autotrofi, situācijai jābūt pretējai.

Lielākā daļa organismu izmanto tieši to glikolīzes variantu, kas parādīts zīmējumā (to sauc par "Emdena-Meiergrofa-Parnasa ciklu"), taču arhejām, kuras daudzi uzskata par pašām primitīvākajām (arhaiskajām) dzīvajām būtnēm, ir novērojama liela glikolītisko ceļu un fermentu daudzveidība. Daudzas arhejas glikozes sašķelšanai izmanto mazāk efektīvus "apvedceļus" (sk.: Entner-Doudoroff pathway), kuros neveidojas fruktozes 1,6 bisfosfāts (FBP) un citi starpsavienojumi, kas raksturīgi klasiskajai glikolīzei. Taču glikoneoģenēze arhejām acīmredzot norit parastajā, "klasiskajā" veidā (kā zīmējumā, tikai pretējā virzienā). Hemoautotrofās dzīvības izcelšanās teorijas atbalstītāji tajā saskata argumentu par labu lielākam glikoneoģenēzes vecumam salīdzinājumā ar glikolīzi.

Starp citu, līdz šim nebija īsti skaidrs, kādā veidā vispār arhejām norit glikoneoģenēze, jo to genomā nav gēna vienam no galvenajiem šī procesa fermentiem - FBP-aldolāzes. Šis ferments katalizē reakcijas, kas zīmējumā apzīmēta ar ciparu 4: apgriezenisko gliceraldehīdfosfāta un dioksiacetonfosfāta pārvēršanos par FBP. FBP-aldolāze paātrina gan tiešo, gan pretējo reakciju. Tāpēc tā ir nepieciešama gan glikolīzei, gan glikoneoģenēzei.

Neraugoties uz FBP-aldolāzes neesamību, šī reakcija arhejām tomēr notiek. Tiesa, parasti tā norit tikai vienā virzienā - no trīs oglekļa atomu molekulām līdz FBP (kas raksturīgi glikoneoģenēzei). Bioķīmiķi no Freiburgas universitātes (Vācija) nolēma noskaidrot, kas gan katalizē šo reakciju termofīlajām arhejām, ja tām nav FBP-aldolāzes. Eksperimentus veica ar arhejām Ignicoccus hospitalis, Metallosphaera sedula un Thermoproteus neutrophilus, kas dzīvo 65-85°C temperatūrā.

Rezultāts bija negaidīts. Izrādījās, ka FBP-aldolāzes funkciju šīm arhejām pilda cits ferments, kas līdz šim bija pazīstama kā "arhejas FBP fosfatāzes IV tips". FBP-fosfatāze ir vairumam dzīvo būtņu. Šo jauno datu gaismā arhejas fermentu nācās pārdēvēt par "FBP-aldolāzi/fosfatāzi". Interesanti, ka agrāk šo fermentu rūpīgi pētīja, bija atšifrēta pat tā trīsdimensiju kristāliskā struktūra, taču līdz šim pētnieku skatam paslīdēja garām viena no tā divām funkcijām.
 

Pateicoties divu funkciju apvienošanai vienā fermentā, FBP-aldolāze/fosfatāze ātri pārvērš savus substrātus (trīs oglekļa atomu gliceraldehīdfosfāta un dioksiacetonfosfāta molekulas) sākumā par FBP, bet pēc tam uzreiz par stabilu fruktozes 6-fosfāta molekulu. Tas padara procesu par praktiski neapgriezenisku: FBP nepaliek nekādas iespējas atkal sašķelties divās triju oglekļa atomu molekulās. Tādu paātrinātu un vienvirziena glikoneoģenēzes gaitu var aplūkot kā adaptēšanos pie augstām temperatūrām. Lietas būtība ir tāda, ka trīs oglekļa atomu substrāti, kas veidojas CO2 fiksācijas rezultātā, augstās temperatūrās ir nestabili: to "pussabrukšanas periods" 80°C temperatūrā ir apmēram četras minūtes. Ātra to pārvēršana par stabilo fruktozes 6-fosfātu ļauj efektīvi realizēt glikoneoģenēzi karstajā vulkānisko avotu ūdenī.

Autori izanalizēja šobrīd zināmos arheju un baktēriju genomus un secināja, ka FBP-aldolāze/fosfatāze ir vairumam arheju, kā arī daudzām baktērijām, kuras attiecas uz visarhaiskākajām evolucionārajām līnijām. Mikrobu, kuriem ir šis ferments, izvietojums evolucionārajā kokā liecina par labu lielākam FBP-aldolāzes/fosfatāzes vecumam. Acīmredzot, šis ferments parādījās ievērojami agrāk par daudziem klasiskās glikolīzes fermentiem.

Starp mikrobiem, kuriem ir FBP-aldolāze/fosfatāze, daudzi ir termofīli - karsto avotu iemītnieki, taču to vidū ir arī mezofīli, kuri dod priekšroku zemākām temperatūrām. Autori izdalīja fermentu no dažām baktērijām un arhejām un izpētīja tā īpašības dažādās temperatūrās. Izrādījās, ka pat mikrobiem-vēsummīļiem šim fermentam ir paaugstināta termoizturība. Piemēram, arhejas Cebarchaeum symbiosum (jūras sūkļa simbiota) FBP-aldolāze/fosfatāze lieliski darbojas 70°C temperatūrā. Tas liecina par to, ka šis ferments visticamāk pirmoreiz parādījās termofīlajiem mikrobiem, bet vēlāk daži tā īpašnieki piemērojās dzīvei vēsākā vidē.

Pēc autoru domām, FBP-aldolāzes/fosfatāzes īpašības un tās izvietojums evolucionārajā kokā labi saskan ar hemoautotrofo dzīvības izcelšanās teoriju. Hemoautotrofi varēja atļauties attīstīt neapgriezenisku glikoneoģenēzi, jo glikoze tiem parasti nav svarīgs enerģijas avots un tiek izmantota pārsvarā dažādām otršķirīgām vajadzībām. Nenozīmīga ogļūdeņražu apmaiņas loma enerģētiskajā metabolismā ir raksturīga vairumam arheju, kas padara tās krasi atšķirīgas no daudzām baktērijām un visiem augstākajiem organismiem. Tā rezultātā dažādās arheju evolucionārajās līnijās glikozes utilizācijai neatkarīgi attīstījās dažādi "alternatīvi" glikolīzes varianti.

Pamatojoties iegūtajos rezultātos, autori uzskata, ka termonoturīga FBP-aldolāze/fosfatāze parādījās senākajiem autotrofajiem mikroorganismiem, kas radās karstajos vulkāniskajos avotos. Šī fermenta parādīšanās bija tieši saistīta ar glikoneoģenēzi - bioķīmisku ciklu glikozes sintēzei no triju oglekļa atomu CO2 fiksācijas produktiem. Arhejas un primitīvās baktērijas, iespējams, mantoja šo fermentu no kopēja priekšteča. Nav izslēgts, ka dažas baktērijas to "aizņēmās" no arhejām horizontālās pārneses ceļā. Klasiskā glikolīze, kas ir otrādi apgriezta glikoneoģenēze, parādījās daudz vēlāk. Iespējams, tas bija saistīts ar efektīvu fotosintētiķu (tādu kā cianobaktērijas) parādīšanos, kas pirmie sāka ražot glikozi "rūpnieciskos" apjomos, radot priekšnosacījumus straujai heterotrofu (gatavu organisko vielu patērētāju) attīstībai.

Vēl viena interesanta jaunatklātā fermenta īpašība ir apbrīnojamais vieglums, ar kuru var atslēgt vienu no tā funkcijām, atstājot neskartu otru. Autori eksperimentēja ar olbaltumvielu, kas bija izdalīta no jau minētās jūras arhejas Cenarchaeum symbiosum. Izrādījās - ja fermenta aktīvajā centrā nomaina vienu vienīgu aminoskābi (lizīna vietā 232. pozīcijā ieliek arginīnu), tad ferments pilnībā zaudē savu FBP-aldolāzes aktivitāti. FBP-fosfatāzes aktivitāte tādā gadījumā ne tikai saglabājas, bet pat pastiprinās. Citas būtiskas aminoskābes nomainīšana (tirozīna vietā 248. pozīcijā fenilanilīns) bija ar pretēju rezultātu: aldolāzes aktivitāte saglabājās, bet fosfatāzes - izzuda.

Papildus teorētiskai nozīmei agrīno evolūcijas posmu izpratnē jaunais ferments var noderēt bioinženierijā. Noteiktos apstākļos tas var nodrošināt efektīvāku ogļūdeņražu sintēzi par klasiskajām FBP-fosfatāzēm un FBP-aldolāzēm.

Avots:

Rafael F. Say, Georg Fuchs. Fructose 1,6-bisphosphate aldolase/phosphatase may be an ancestral gluconeogenic enzyme // Nature. Advance online publication 28 March 2010.

Sk. arī:

1) У архей обнаружен необычный способ фиксации углерода, «Элементы», 21.02.2007.

2) Гидротермальные источники - колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006.

Аleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru