Случайное открытие может указать на ответ на вопрос "что было раньше" в эволюции
Для биохимиков это вопрос "что появилось раньше": производство кислорода в процессе фотосинтеза или потребление кислорода в процессе аэробного метаболизма?
В фотосинтезе водоросли и растения используют солнечный свет для превращения углекислого газа и воды в топливо для роста, выделяя кислород в качестве побочного продукта. Животные же используют кислород для преобразования потребляемого топлива в энергию и выделяют углекислый газ — процесс, называемый аэробным метаболизмом.
Международный консорциум исследователей случайно обнаружил возможную молекулу-недостающее звено, которая может привести к ответу на этот эволюционный вопрос. Открытие описано в новой статье в Proceedings of the National Academy of Sciences.
"С самого начала у нас была идея, что это может быть связано с эволюцией фотосинтеза и способностью дышать кислородом", — сказал Феликс Эллинг, ведущий автор статьи.
Эллинг, работавший в Лаборатории молекулярной биогеохимии и органической геохимии профессора Энн Пирсон, искал определённые молекулы, не связанные с вопросами эволюции аэробного метаболизма, когда обнаружил нечто необычное: небольшое изменение в молекуле у азот-утилизирующей бактерии Nitrospirota, которое больше походило на то, что нужно расту для фотосинтеза, а не бактерии.
Исследователи обнаружили метил-пластохинон — вариант молекулы типа хинон. Считалось, что хиноны, встречающиеся во всех формах жизни, существуют в двух основных разновидностях: аэробные (требующие кислорода) и анаэробные (не требующие).
Аэробные хиноны далее подразделяются на два типа: те, которые растения используют для фотосинтеза, и те, которые бактерии и животные используют для дыхания кислородом.
"По сути, все формы жизни используют хиноны для своего метаболизма", — пояснил Эллинг. Обнаружение хинона, "похожего на тот, что растения используют для фотосинтеза", у бактерии, дышащей кислородом, было крайне необычным. Учёные поняли, что метил-пластохинон — это третий тип и, возможно, недостающее звено между двумя другими.
Исследование проливает свет на так называемое Великое кислородное событие. Этот период — примерно 2,3–2,4 миллиарда лет назад — ознаменовался тем, что цианобактерии (тип водорослей) начали генерировать значительное количество кислорода в результате фотосинтеза, сделав возможным аэробный метаболизм.
Хотя кажется, что фотосинтез появился первым, открытие метил-пластохинона поддерживает другую гипотезу. Проще говоря, некоторые бактерии уже обладали способностью утилизировать кислород — ещё до того, как цианобактерии начали его производить.
Другими словами, "курица и яйцо были одновременно", — сказал Эллинг.
Профессор Пирсон подчеркнула, что наличие биохимической системы обработки кислорода в момент его генерации фотосинтезом было огромным шагом.
"Реакции с участием кислорода очень опасны и могут быть смертельными для клеток, лишённых механизмов борьбы с метаболическими побочными продуктами", — сказала она. Хотя мы воспринимаем это как должное, "химические системы, которые мы все используем в наших клетках, чтобы выжить в нашем аэробном метаболическом образе жизни, на самом деле довольно сложны".
Проще говоря, "так мы научились дышать", — сказала Пирсон. "И как только вы можете дышать кислородом и делать это безопасно, это прокладывает путь для диверсификации всей жизни, которую мы видим вокруг себя".
Следы диверсификации структур хинонов можно найти в наших собственных телах, включая фундаментальные различия между хинонами в митохондриях человека по сравнению с таковыми у растений.
"Мы думаем, что мы нашли первичную или предковую форму этой молекулы, которая позже была адаптирована, чтобы иметь две формы — одну со специфическими функциями у водорослей и растений, и альтернативную форму в митохондриях, которая есть у нас сегодня", — сказал Эллинг.
"Эта молекула — капсула времени", — сказал Эллинг. "Живое ископаемое молекулы, которая сохранилась более чем за 2 миллиарда лет".