«Невозможная» химия может раскрыть происхождение жизни на Земле

Эксперименты показывают, что метаболизм мог начаться спонтанно на нашей древней планете, и что учёным, возможно, придётся переосмыслить то, как человечество определяет жизнь.

Маркус Ральсер никогда не собирался изучать происхождение жизни. Его исследования были сосредоточены в основном на том, как клетки питаются сами, и на том, как эти процессы могут пойти не так в организме, который испытывает стресс или болен. Но около десяти лет назад по чистой случайности Ралсер и его команда сделали шокирующее открытие.

Группа, базировавшаяся в то время в Кембриджском университете, изучала гликолиз — процесс, при котором сахар расщепляется в ходе ряда химических реакций, высвобождая энергию, которую могут использовать клетки. Когда они использовали чувствительные методы для отслеживания многих этапов процесса, они были удивлены, обнаружив, что некоторые реакции, казалось, «происходят спонтанно», — говорит Ралсер, который сейчас работает в Институте Фрэнсиса Крика в Лондоне.

Каждая живая клетка имеет в своей основе своего рода химический двигатель. Это верно как для нейрона в человеческом мозгу, так и для простейшей бактерии. Эти химические двигатели управляют метаболизмом, процессами, которые превращают источник энергии, такой как пища, в полезные части и строят клетку. По общему мнению, метаболические процессы, включая гликолиз, требуют множества сложных микроскопических механизмов. Но команда Ральсера обнаружила, что один из этих двигателей может работать сам по себе, без нескольких сложных молекул, которые, по мнению учёных, были необходимы.

После этой счастливой находки среди исследователей, изучающих происхождение жизни, прокатилась волна изумления. В конце концов, если это могло произойти в пробирке, возможно, это могло произойти и миллиарды лет назад в глубоководном вулканическом жерле, или на суше в термальных бассейнах, или где-то ещё с высокой химической активностью и органическим материалом. Возможно даже, что метаболические реакции положили начало цепи событий, приведших к зарождению жизни.

Некоторые команды сейчас работают над созданием этих химических двигателей с нуля. В дополнение к гликолизу учёные воссоздали части других фундаментальных клеточных процессов, включая обратный цикл лимонной кислоты или обратный цикл Кребса, который, как полагают, впервые появился в очень древних клетках. Эта захватывающая новая область исследований заставила учёных переосмыслить шаги, которые могли привести к первому живому организму, и заставила их ещё раз столкнуться с давним вопросом: как мы вообще определяем жизнь?

Как зародилась жизнь — одна из величайших загадок науки. Все знают, что это произошло в начале истории нашей планеты, потому что в горных породах, отложенных 3,5 миллиарда лет назад, всего через миллиард лет после образования Земли, есть ископаемые микроорганизмы. Но как и где это произошло, остаётся неясным. Ключевая проблема заключается в том, что живые организмы необычайно сложны. Даже простейшая бактериальная клетка имеет сотни генов и тысячи различных молекул. Все эти строительные блоки работают вместе в замысловатом танце, доставляя пищу в клетку и выводя отходы, восстанавливая повреждения, копируя гены и многое другое.

Масштабы этой сложности иллюстрирует исследование, опубликованное в 2021 году, в котором сравниваются ДНК 1089 бактерий, которые являются простейшими живыми организмами. Исследователи во главе с биоинженером Джоаной К. Ксавьер, которая в то время работала в Дюссельдорфском университете имени Генриха Гейне в Германии, искали белковые семейства, которые были общими для всех видов бактерий, поскольку они, вероятно, были действительно древними — более трёх миллиардов лет до последнего общего предка всех бактерий.

Все гипотезы о происхождении жизни пытаются отбросить эту сложность и представить нечто гораздо более простое, что могло возникнуть спонтанно. Трудность заключается в том, чтобы решить, на что была бы похожа эта «просто-жизнь». Какие части живых клеток, которые можно наблюдать сегодня, образовались первыми?

Было выдвинуто много идей, в том числе о молекуле, которая может копировать себя, как цепочка РНК, или жировой «пузырь» или «капля», которые могли действовать как фундаментальная структура клетки. Но растущая группа учёных считает, что до генов или клеточных стенок первой вещью, в которой нуждалась жизнь, был двигатель.

Жизнь принципиально активна. Даже в кажущихся неподвижными организмах, таких как деревья, наблюдается бешеная активность в микроскопическом масштабе. Ксавьер, которая сейчас работает в Университетском колледже Лондона, сравнивает живую клетку с чашкой воды с отверстием в дне и краном. Если два потока равны, объём воды в чашке остаётся прежним. «Но трансформация происходит».

Точно так же каждое живое существо получает питательные вещества и использует их для построения и восстановления своего тела. Для людей это означает употребление пищи, а затем использование нашей пищеварительной системы для расщепления её на простые химические вещества, которые организм может использовать.

Другие организмы получают энергию от солнечного света или химических веществ, таких как метан, но здесь действует тот же принцип. Тысячи реакций постоянно превращают одно вещество в другое и доставляют вещества туда, где они нужны. Все эти процессы составляют обмен веществ в организме. Если обмен веществ останавливается, организм погибает. Химия метаболизма настолько важна для жизни, что многие исследователи полагают, что она должна была лежать в основе первых живых клеток. Считается, что как только метаболический двигатель заработает, он сможет создавать другие химические вещества, необходимые для жизни, и постепенно клетки будут собираться самостоятельно, говорит Джозеф Моран из Страсбургского университета во Франции.

Однако все метаболические гипотезы происхождения жизни сталкиваются с одной и той же проблемой: метаболизм, как и сама жизнь, чрезвычайно сложен. В исследовании последнего общего предка бактерий Ксавьер подсчитала, что гены этого древнего организма могли производить 243 химических вещества посредством метаболических процессов, а также преобразовывать химические вещества друг в друга.

Даже отдельные пути метаболизма сложны. Взять хотя бы цикл лимонной кислоты или цикл Кребса, который является одним из способов, с помощью которых клетки могут извлекать энергию из питательных веществ. Как следует из названия, он начинается с лимонной кислоты, химического вещества, которое придает цитрусовым их особенный вкус. Это преобразуется во второе вещество, называемое цис-аконитатом, а затем в ещё семь химических веществ, прежде чем на последнем этапе воссоздается лимонная кислота. Попутно производится множество биологических химических веществ, которые распределяются по остальной части клетки. Трудно представить, как такой сложный процесс мог начаться сам собой. Еще больше усложняет ситуацию то, что каждый шаг контролируется молекулой, называемой ферментом, которая ускоряет рассматриваемые химические реакции.

Для работы такого процесса, как цикл Кребса, необходимы ферменты. Но ферменты — это сложные молекулы, которые могут образовываться только посредством метаболизма под контролем генов. Таким образом, учёные сталкиваются с биохимической дилеммой «курица или яйцо»: что появилось раньше: химический двигатель для создания клетки или клеточные механизмы, необходимые для создания двигателя?

После того, как Ралсер и его команда сделали своё первое открытие в начале 2010-х годов, они решили продолжить исследование метаболических реакций, которые могли бы протекать самостоятельно. Они растворили 12 различных химических веществ, которые используются в гликолизе, каждое по отдельности, в чистой воде. Затем нагревали образцы до 70°C в течение пяти часов, имитируя условия вблизи подводного вулкана. В экспериментах начали происходить семнадцать химических реакций либо в результате гликолиза, либо в результате родственного метаболического пути.

Затем Ральсер связался с Александрой Турчин, геохимиком из Кембриджского университета, которая дала ему список химических веществ, которые, как считается, были растворены в первозданном океане, включая такие металлы, как железо и натрий. Команда добавила их в свои смеси, чтобы посмотреть, улучшат ли они реакцию. «Мы получили один положительный результат, который был «железным»», — говорит Ральсер.

К 2014 году у них было 28 рабочих реакций, включая полный метаболический цикл. Команда основывалась на своих первоначальных результатах, показав в 2017 году, что они могут создать версию цикла лимонной кислоты, управляемую сульфатом, и что они могут производить сахара из более простых химических веществ в процессе, называемом глюконеогенезом, хотя последний должен проходить во льду.

Затем идею метаболических циклов без ферментов подхватил Моран из Страсбургского университета в сотрудничестве со своей бывшей ученицей Камилой Муховской. Они совершили аналогичные прорывы в других метаболических процессах, таких как путь ацетил-КоА, который превращает углекислый газ в ацетил-КоА — одно из наиболее важных химических веществ в метаболизме.

Но из многих механизмов жизни учёные снова и снова возвращались к обратному циклу лимонной кислоты. Этот процесс используется некоторыми бактериями для образования сложных углеродных соединений из углекислого газа и воды. И есть данные, что он чрезвычайно древний. Как и Ральсер, Моран и Муховская использовали такие металлы, как железо, для запуска химических реакций в лаборатории. В 2017 году им удалось запустить шесть из 11 реакций в обратном цикле лимонной кислоты, а два года спустя они обнаружили дополнительные реакции. «Мы никогда не производили весь цикл, — говорит Моран. Но приближаемся к этому».

Несмотря на волнение, учёные расходятся во мнениях относительно того, действительно ли целые клеточные циклы могут происходить без ферментов, облегчающих этот процесс. Для Раманараянана Кришнамурти из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, неубедительно воспроизводить только части цикла. «Это всё равно, что разбить стеклянную банку на куски, а затем сказать: «Осколки произошли из банки, поэтому я могу собрать банку», — говорит он.

Кришнамурти и его коллеги пробуют другой подход. «Мы отключаем себя от биологии», — говорит он, потому что то, что происходит в клетках сегодня, является неполным руководством к тому, что произошло миллиарды лет назад. «Я просто позволю химии вести меня».

«Мы обходим некоторые из самых нестабильных молекул, некоторые из самых сложных шагов, которые биология может сделать прекрасно благодаря очень сложным эволюционным ферментам», — говорит Кришнамурти.

Он предполагает, что полученный в результате процесс мог быть древним предшественником обратного цикла Кребса. Совсем недавно его команда экспериментировала с добавлением цианида, которого, как считается, было много на древней Земле. Предыдущие исследования показали, что цианид может производить многие химические вещества жизни, потому что он очень реактивен, но неясно, действительно ли цианид сыграл роль в происхождении жизни, потому что он ядовит для реальных организмов. Тем не менее, команда Кришнамурти показала, что цианид может запускать метаболические механизмы, напоминающие некоторые жизненные функции.

Моран скептически относится к такому подходу, потому что эти альтернативные двигатели не производят некоторые из ключевых химических веществ жизни. Ещё неизвестно, можно ли заставить работать полные версии всех сегодняшних метаболических циклов без ферментов, или же первой жизни приходилось обходиться альтернативными и упрощенными версиями, подобными тем, что сделал Кришнамурти.

Возможность имитировать жизненные процессы в упрощённых формах вообще привела к глубокому вопросу: в какой момент можно бы назвать эти химические системы «жизнью»? Если метаболический двигатель гудит в стеклянном флаконе, значит ли это, что он живой?

Большинство учёных сказали бы, что нет. Чтобы что-то было живым, «нам нужна достаточно сложная система, чтобы она могла метаболизироваться и воспроизводиться», — говорит Ральсер. Метаболический двигатель сам по себе этого не делает, но это шаг на пути к тому, что может.

«Никто на самом деле не определил жизнь», — говорит Кришнамурти, и существует так много крайних случаев. Например, во многих определениях жизни указывается, что организм должен быть способен к размножению, но отдельные половозрелые животные не могут размножаться без партнёра, поэтому согласно этим строгим определениям одинокий кролик не жив.

«Всё, что есть между неживым и живым, — это градиент», — говорит Муховская. Метаболические двигатели не являются полностью безжизненными, как камни, и не являются полностью живыми, как бактерии.

Жизнь в каком-то смысле представляет собой своего рода химическую аварию, кружащийся танец, который не прекращается уже более трёх с половиной миллиардов лет. Независимо от того, как это можно определить, этот танец продолжается, медленно оттачивая биологический механизм, создавший бесконечные формы Земли, самые прекрасные и самые чудесные.