Законы масштабирования ферментов могут помочь предсказать жизнь «какой мы её не знаем»

Единственные примеры «жизни» — это формы, известные на Земле. Астробиологи предполагают, что поиск внеземной жизни и даже изучение происхождения жизни на Земле могут потребовать более широкого подхода. Команда исследователей, финансируемая NASA, разрабатывает инструменты для предсказания черт жизни, какой мы её не знаем. В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда выявляет универсальные закономерности в химии жизни, которые, по-видимому, не зависят от конкретных молекул.

«Мы хотим иметь новые инструменты для идентификации и даже предсказания черт жизни, какой мы её не знаем», — говорит внешний профессор Института Санта-Фе Сара Имари Уокер (Университет штата Аризона), соавтор статьи. «Для этого мы стремимся определить универсальные законы, которые должны применяться к любой биохимической системе. Это включает разработку количественной теории происхождения жизни и использование теории и статистики для направления нашего поиска жизни на других планетах».

На Земле жизнь возникает из взаимодействия сотен химических соединений и реакций. Некоторые из этих соединений и реакций встречаются повсеместно у всех земных организмов. Используя базу данных Integrated Microbial Genomes and Microbiomes, команда исследовала ферменты — функциональные движущие силы биохимии, — обнаруженные у бактерий, архей и эукариот, и выявила новый вид биохимической универсальности.

Ферменты можно классифицировать по таксономии широких функциональных классов — групп, определяемых по их действию: от использования молекул воды для разрыва химических связей (гидролазы) до перестройки молекулярных структур (изомеразы) и соединения крупных молекул (лигазы). Команда сравнила, как обилие ферментов в каждой из этих функциональных категорий меняется относительно общего количества ферментов в организме. Они обнаружили различные законы масштабирования — почти алгоритмические зависимости — между количеством ферментов в разных классах и размером генома организма. Также было обнаружено, что эти законы не зависят от конкретных ферментов в этих классах.

«Здесь мы видим, что эти масштабные зависимости возникают без необходимости сохранять точный состав. Нужно определённое количество трансфераз, но не конкретные трансферазы», — говорит профессор SFI Крис Кемпес, соавтор статьи. «Существует много "синонимов", и эти синонимы масштабируются систематическим образом».

На Земле организмы используют ДНК и через РНК создают белки. Но помогут ли макромолекулы ДНК, РНК и белков идентифицировать жизнь во Вселенной, понять происхождение жизни на Земле или развить синтетическую биологию?

«Как команда, мы считаем, что это маловероятно», — говорит Кемпес. Однако функции, которые выполняют эти макромолекулы, и наблюдаемые в органической земной жизни законы масштабирования метаболизма — вполне могут помочь. «Даже если жизнь в другом месте использует совершенно другие молекулы, такого рода функциональные категории и законы масштабирования могут сохраняться во всей Вселенной», — отмечает Кемпес.