Скрытая цена жизни: Новый метод оценивает энергетические затраты на поддержание метаболических путей
В биохимии существуют "затраты на жизнь", которые не может рассчитать классическая механика. Яркий пример — энергия, необходимая для поддержания активными конкретных биохимических процессов (например, фотосинтеза), одновременно блокируя альтернативные пути. В механике отсутствие перемещения означает нулевую работу, но стохастические термодинамические расчёты показывают, что такие затраты реальны и часто значительны.
Исследование в Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) предлагает метод расчёта этих затрат с термодинамической точки зрения. Это новый инструмент для понимания отбора и эволюции метаболических путей, лежащих в основе жизни.
С момента появления первой клеточной мембраны и разделения на "внутреннее" и "внешнее", примитивная система должна была тратить энергию на поддержание этой компартментализации и выбор лишь нескольких метаболических путей из множества возможных химических реакций. Жизнь родилась вместе с этим усилием по ограничению и выбору.
Помимо прямой энергетической стоимости, метаболические процессы требуют "дополнительных затрат" на удержание химических потоков в предпочтительном пути, а не их рассеивание по всем возможным альтернативам. Однако классическая механика рассматривает такие ограничения как фиксированные внешние условия с нулевой стоимостью.
Исследователи во главе с Прафулом Гагрань (Университет Токио) разработали метод расчёта этих упущенных из виду затрат для ранжирования путей. Это позволяет оценить их биологическую эффективность, что ценно для эволюционных исследований происхождения жизни.
Метод был вдохновлён более ранней работой Эрика Смита, который использовал программное обеспечение MØD для перечисления всех возможных путей "сборки" органических молекул из CO2 (аналог цикла Кальвина в фотосинтезе). Ранжирование по "стоимости поддержания" показало, что путь, используемый в природе, находится среди наименее диссипативных (с наименьшими энергетическими затратами).
В рамках нового подхода клетка представляется как система с постоянным потоком, где, например, молекула-нутриент входит, а продукт или отход — выходит. Учитывая базовую химию, можно сгенерировать все химически возможные пути превращения входа в выход. Метод оценивает, насколько маловероятно было бы в мире, управляемом только спонтанной химией, увидеть работу сети именно таким образом.
Эта маловероятность имеет две составляющие:
- Стоимость поддержания — насколько маловероятно поддерживать постоянный поток через определённый путь.
- Стоимость ограничения — насколько маловероятно заблокировать все альтернативные реакции в сети, сохраняя активным только интересующий путь.
Рассчитанная маловероятность представляет собой стоимость процесса, что позволяет классифицировать метаболические пути по тому, насколько "дорого" клетке поддерживать один путь и подавлять другие.
Неожиданный вывод: одновременное использование нескольких путей менее затратно, чем использование только одного. Аналогия: четырём людям добраться из A в B по узким туннелям быстрее, если у каждого свой туннель, чем если туннелей меньше и люди мешают друг другу.
В природе, однако, обычно доминирует один процесс. Объяснение в том, что в биологических системах вмешивается катализ (действие ферментов), который ускоряет реакции и делает их менее затратными, достигая того же эффекта, что и множество параллельных путей. Эволюционный выбор в пользу одного пути связан с тем, что поддержание многих путей может иметь иные недостатки (например, производство множества потенциально токсичных молекул).
Вывод: Этот метод — полезный инструмент для изучения происхождения и эволюции жизни, так как позволяет оценить затраты на выбор и поддержание конкретных метаболических процессов. Он помогает понять, как возникают определённые пути, но для объяснения, почему были выбраны именно они, требуется междисциплинарный подход.