Новое исследование проливает свет на происхождение жизни на Земле через молекулярные функции
В "первичном бульоне" ранней Земли жизнь началась с малого. Элементы соединялись, образуя простые углеродные молекулы — предшественники всего живого. Однако следующий шаг остаётся предметом дискуссий.
Одна популярная гипотеза предполагает, что жизнь запустили молекулы рибонуклеиновой кислоты (RNA), которые несут генетические инструкции для белков и могут выполнять простые химические реакции. Однако некоторые учёные оспаривают эту идею, утверждая, что RNA — слишком большая и сложная молекула, чтобы быть началом всего. Эта группа считает, что более простые молекулы сначала должны были развить способность выполнять метаболические функции, прежде чем могли появиться макромолекулы вроде RNA. Эта идея получила название "метаболизм-первым", и новое исследование Университета Иллинойса предоставляет ей новые доказательства.
"У всех живых организмов есть метаболизм — набор жизнеобеспечивающих химических превращений, которые обеспечивают энергию и материю для функций клетки. Считается, что эти метаболические превращения происходили очень рано в истории жизни на примитивной Земле. Организмы, вероятно, заменили химические реакции, уже происходившие на планете, и инкорпорировали их в клетки через развитие ферментативной активности", — говорит биоинформатик Густаво Каэтано-Аноллес.
Каэтано-Аноллес и Ибрагим Коч нашли доказательства гипотезы "метаболизм-первым", изучая эволюцию молекулярных функций у организмов, представляющих все царства жизни. Для 249 организмов их геномы (полные наборы генов) были доступны в поисковой базе данных. Уникальность этого ресурса, известного как база данных Gene Ontology (GO), в том, что для каждого продукта гена (белка или молекулы RNA) существует набор терминов, описывающих его функцию.
"Вы можете взять целый геном, представляющий организм, например, человеческий, и визуализировать его через совокупность функций его генов. Изучение этих 'функциомов' говорит нам, что делают гены, вместо того чтобы фокусироваться на их названиях и местоположении. Например, мы можем выяснить, какие виды каталитической, распознающей или связывающей активности имеет продукт гена, что гораздо более интуитивно", — отмечает Каэтано-Аноллес. "Лучший способ понять организм — через его функции".
По словам Каэтано-Аноллеса, количество раз, которое функция встречается в геноме, предоставляет историческую информацию. Команда взяла GO-термины, описывающие все молекулярные функции в каждом организме, и подсчитала их. Идея заключалась в том, что древняя функция, такая как каталитическая активность метаболизма, вероятно, является общей для всех организмов и будет встречаться в больших количествах. С другой стороны, более новые функции встречаются реже и у меньшего подмножества организмов.
Команда использовала эту информацию и передовые вычислительные методы, чтобы построить дерево, которое прослеживает наиболее вероятный эволюционный путь молекулярных функций во времени. У основания дерева, близко к корням, находились самые древние функции. Самые новые — ближе к кроне.
У основания дерева, соответствующего происхождению жизни на Земле, находились функции, связанные с метаболизмом и связыванием. "Логично, что эти две функции начались очень рано, потому что молекулам сначала нужно было генерировать энергию через метаболизм и им приходилось взаимодействовать с другими молекулами через связывание", — объясняет Каэтано-Аноллес.
Следующими крупными достижениями стали функции, сделавшие возможным появление макромолекул — это момент, когда, возможно, вступила в игру RNA. Затем появился механизм, интегрировавший молекулы в клетки, а за ним — функции, позволившие осуществлять коммуникацию между клетками и их окружением. "Наконец, по мере продвижения к кроне дерева, вы начинаете видеть функции, связанные с высокоразвитыми процессами, такими как работа мышц, кожа или нервная система", — говорит Каэтано-Аноллес.
Исследование проливает свет не только на прошлое. Знание прогрессии этих молекулярных функций во времени может помочь предсказать, куда движется жизнь на Земле. "Люди думают об эволюции как о взгляде назад", — говорит Каэтано-Аноллес. "Но мы могли бы использовать наши хронологии и методологии, чтобы спросить, какие новые молекулярные функции будут сгенерированы в будущем".
Работа имеет приложения для биоинженерии — развивающейся области, которая использует биологическую информацию и вычисления для создания новых молекул. По словам Каэтано-Аноллеса, сконструированные молекулы могут бороться с болезнями и улучшать качество повседневной жизни. "Лучший способ перепроектировать биологические молекулы с новыми и полезными молекулярными функциями — это изучить принципы по подсказкам, оставленным в их прошлом", — говорит он.
Статья "The natural history of molecular functions inferred from an extensive phylogenomic analysis of gene ontology data" опубликована в PLoS One.