Идентификация изменений в химических подсистемах метаболизма
Чтобы лучше понять возникновение жизни, бывший стипендиат SFI Omidyar Рожер Бракман и внешний профессор Эрик Смит тщательно изучили бактерию Aquifex aeolicus.
Ограниченность экстремальными условиями кипящих горячих источников (постоянная черта геологии Земли) означает, что метаболическая сеть этой необычной бактерии эволюционировала меньше, чем у других видов. Это делает её отличной моделью для изучения ранней эволюции метаболизма.
Исследователи используют метод филометаболического анализа, который сочетает построение генных филогенетических деревьев с реконструкцией химических метаболических сетей. Это позволяет «видеть не только то, какая информация меняется, но и как специфические движущие силы изменяют лежащие в основе химические сети, кодируемые этими генами», — объясняет Бракман.
Их исследование, опубликованное 5 февраля в PLOS ONE, выделяет три основных движущих силы эволюции:
- Оптимизация кинетики путём замены ферментов-универсалов на несколько специализированных.
- Оптимизация кинетики путём слияния последовательных ферментов в пути, чтобы минимизировать диффузию.
- Оптимизация термодинамики путём выбора путей, требующих меньше энергии.
Эти движущие силы указывают на главный компромисс в эволюции — скорость против эффективности — и предполагают, что ранние предки, вероятно, начинали с меньшего набора ферментов, каждый из которых мог слабо катализировать множество различных реакций.
Определяя, как изменились химические подсистемы метаболизма, можно сделать выводы о фенотипических чертах универсального общего предка и даже связать конкуренцию за ресурсы между разными ветвями древа жизни с эволюцией основных биогеохимических циклов.