Er zouden al genen hebben bestaan voor er leven (LUCA) ontstond (l). Rechts de universele paralogen uit deze oercel (afb: Aaron Goldman et al./Cell Genomics)
Al vele jaren wordt het gespeculeerd hoe het leven op aarde kan zijn ontstaan. Onderzoeksters in Duitsland en verder denken dat er twee mogelijke scenario’s dat ontstaan zouden kunnen verklaren. Ze hebben de oorsprong van enzymen tijdens de vroegste splitsing van het leven in bacteriën en archaea (net als bacteriën ook eencelligen) gereconstrueerd en denken het bewijs gevonden te hebben voor twee onafhankelijke oorsprongen van leven voor vrijlevende cellen.
Als we 4 miljard jaar terug in de tijd zouden kunnen gaan en zouden zien hoe de eerste cellen op aarde ontstonden, wat zouden we dan zien? “We zouden twee heel verschillende soorten cellen zien ontstaan: pionierbacteriën en pionierarchaea, die hun eerste pogingen tot leven buiten de grenzen van een heetwaterbron ondernemen”, zegt hoofdauteur Natalia Mrnjavac, biologe aan de universiteit van Düsseldorf.
In een onlangs gepubliceerd artikel beschrijven Mrnjavac en collega’s het onderzoek naar genomen, eiwitstructuren en scheikundige reacties die de allereerste fasen van de microbiële evolutie belichten, voordat er vrijlevende cellen bestonden. “Deze vergelijkingen geven ons ongekende inzichten in de fase van evolutie waarin de door enzymen gekatalyseerde stofwisseling ontstond uit spontane reacties die werden gekatalyseerd door metalen in de aardkorst”, zegt medeonderzoeker William Martin.
De aanpak van de onderzoeksters zou verschillen van alle eerdere onderzoeken naar vroege evolutie doordat ze keken naar de volledige reeks chemische reacties die cellen gebruiken om de bouwstenen van het leven (aminozuren, RNA-basen en vitaminen) te maken uit verbindingen die aanwezig waren op de vroege aarde: waterstofgas, ammoniak en CO2. Deze reeks van 420 chemische reacties is de stofwisseling. De reacties zelf zijn net zo universeel bewaard gebleven als de genetische code.
Martin: “De verrassing is dat de enzymen die deze reacties katalyseren niet geconserveerd zijn over de evolutionaire scheidslijn tussen bacteriën en archaea. We ontdekten dat de laatste universele voorouder van alle cellen, LUCA, slechts enzymen bezat voor ongeveer de helft van de stofwisselingsreacties. De andere helft werd gekatalyseerd door metalen in de omgeving waar LUCA ontstond.”
Metalen die van nature voorkomen in heetwaterbronnen kunnen een verrassend groot aantal enzymen in de stofwisseling vervangen. “Hoe beter we kijken, hoe duidelijker we zien dat de vroege biochemische evolutie een hybride was van enzymatische en metaalkatalysatoren”, zegt Joseph Moran van de universiteit van Ottawa in Canada.
Vier fasen
Een belangrijke stap voorwaarts in deze studie zou zijn dat de groep vier fasen van de vroege evolutie van katalyse kon reconstrueren: uitsluitend metaal, een metaal-enzymhybride in LUCA, gevolgd door divergente evolutie naar de voorouders van de bacteriële en archaeale lijnen. In die lijnen ontstonden nieuwe enzymen, die de anorganische katalysatoren vervingen die werden geleverd door de omgeving waarin het metabolisme ontstond.
Mrnjavac: “We zien gevallen waarin de voorouders van bacteriën en archaea onafhankelijk van elkaar structureel verschillende enzymen ontwikkelden om dezelfde essentiële metabole reactie te katalyseren. Zulke parallelle ‘uitvindingen’ zouden de weg hebben kunnen banen voor het onafhankelijke ontstaan van vrijlevende bacteriën en archaea.”
Waar kwam de energie vandaan om deze reacties aan te drijven? Tegenwoordig komt de energie in de celstofwisseling voornamelijk in de vorm van ATP. Dat is een complex molecuul, aangemaakt door enzymen en geen stof die zomaar voor het oprapen lag in heetwaterbronnen.
De onderzoeksters denken een nieuwe energiebron te hebben ontdekt met een metabole oorsprong. Onder de metalen die van nature voorkomen in hydrothermale bronnen bevindt zich palladium, een uitstekende katalysator die al een lang bekend is en breed door scheikundigen wordt gebruikt om reacties mogelijk te maken of te versnellen.
Als fosfiet, een fosforverbinding die van nature voorkomt in heetwaterbronnen, reageert met organische verbindingen ontstaan er organische fosforverbindingen. Fosfiet en palladium zouden het werk hebben gedaan wat nu ATP en enzymen doen. Dat idee zou de vroege evolutie een stuk makkelijker begrijpbaar maken, stellen de onderzoeksters.
Martin: “De nieuwe gegevens leiden tot slechts één conclusie. De bacteriën en archaea hebben de overgang naar de vrijlevende staat onafhankelijk van elkaar gemaakt. Alleen vrijlevende cellen leven. Laten we het bij de naam noemen: we kijken naar één oorsprong van de genetische code, maar naar twee oorsprongen van het leven.”
Bron: idw-online.de