Биологи до сих пор бьются над загадкой происхождения жизни на Земле. Необходимо понять, как возникли примитивные бактерии и другие формы жизни. Об организме-прародителе известно мало, однако геномика позволяет кое-что выяснить о древнейших существах, населявших мир на заре его существования. «Лента.ру» рассказывает о статье, опубликованной в журнале Nature, в которой авторы пытаются ответить на вопрос, кем же был LUCA (last universal common ancestor), Лука — универсальный общий предок всех нынешних организмов.
Еще не было трех доменов (надцарств) жизни — бактерий, архей и эукариотов, а он уже был. Этот организм — промежуточное звено между неживой средой ранней Земли и первыми микробами, обитавшими в горных породах 3,8-3,5 миллиарда лет назад. Как выглядел Лука и в каких условиях он жил — неизвестно. Ученые, подобно детективам, по кусочкам восстановили его основные черты. Исходили из такого принципа: поскольку Лука — предок всех живых организмов, значит, они унаследовали от него какие-то черты. На основе биологических особенностей, присущих каждому живому существу, биологи создали портрет Луки: одноклеточный организм, напоминающий бактерию.
Новое исследование немецких ученых позволило уточнить внутреннюю организацию универсального предка. Ученые определили, какие гены могла включать ДНК Луки. Для этого применили филогенетический подход, иными словами, проанализировали эволюционные отношения между различными видами жизни на Земле. Это было сделано следующим образом. Установив, какие белки кодируются геномом прокариот, биологи выбрали из них тех, что удовлетворяли нескольким критериям. Во-первых, белок должен присутствовать у высших таксонов как бактерий, так и архей. Во-вторых, если сконструировать филогенетическое дерево — схему, отражающую эволюционные взаимосвязи, — то бактерии и археи, обладающие данным белком, должны сформировать монофилетическую группу, то есть обладать общим предком. Последнее условие усиливает вероятность того, что эти же самые белки присутствовали в Луке, а от него передались потомкам.
Всего было проанализировано более шести миллионов генов, кодирующих белки и присутствующих в 1847 бактериальных и 134 архейных геномах. Из всей совокупности ученые сформировали 286 514 групп (кластеров), из которых только примерно 11 тысяч содержали бактериальные белки и белки архей. Когда построили филогенетические деревья и проверили белковые группы на следование монофилетическому принципу, осталось только 335 кластеров, удовлетворяющих изначальным условиям. Все белки в конечной выборке, по мнению биологов, присутствовали в геноме LUCA. Следует заметить, что указанные критерии не исключают возможность горизонтального переноса генов. Так, белок, впервые появившийся у ранних бактерий, мог попасть в архею и распространиться среди представителей каждого из доменов, хотя он никогда не присутствовал в организме Луки.
Биологов интересовали гены, составляющие «информационное ядро» в клетках живых организмов. Речь идет о 19 белках, участвующих в процессе синтеза рибосом, а также восьми ферментах, играющих основную роль в формировании транспортных РНК (они перемещают аминокислоты к местам строительства белковых молекул).
Гидротермальный источник
Фото: NOAA / Wikipedia
Реконструированный геном Луки позволяет предположить, что это было анаэробное (приспособленное к бескислородной среде) существо, получавшее необходимую для жизнедеятельности энергию в результате хемосинтеза — химических реакций, окисляющих минеральные вещества. По всей видимости, универсальный предок обитал вблизи гидротермальных источников, вроде черных курильщиков. На это указывают возможное наличие в нем гираз — ферментов, специфичных для термофильных (теплолюбивых) организмов. Также в LUCA, скорее всего, присутствовали ферменты, делающие возможным хемосинтез, в котором углекислый газ — единственный источник углерода. В целом, этот организм мог получать энергию от таких газов, как водород, диоксид углерода и азот.
Некоторые из ферментов содержат железо-серные (FeS) кластеры, которые представляют собой группу молекул-кофакторов, специфично соединяющихся с белками и определяющих их каталитическую активность. Это указывает на то, что Лука обитал в среде, богатой железом. Выделена еще одна группа белков, участвующих в метаболизме сахара: гликозилазы и гидролазы. Эти ферменты в современных клетках важны для синтеза клеточной стенки, что может свидетельствовать о существовании у LUCA примитивной клеточной стенки.
Большой призматический источник является типичным местообитанием для архей
Фото: Jim Urquhart / Reuters
Выводы исследователей подтверждают ряд важных тезисов. FeS-кластеры, а также переходные металлы в составе кофакторов, — наследие древнего метаболизма. Первые живые организмы возникли в гидротермальных источниках. Химические реакции, происходящие на границе водной среды и скалистых пород, создавали условия для возникновения жизни. Первые представители бактерий и архей были автотрофами, зависимыми от водорода и использующими углекислый газ в качестве терминального акцептора в энергетическом обмене (у животных и растений эту роль играет вдыхаемый кислород).
Построенные филогенетические деревья не позволили выделить характерные для LUCA белки, участвовавшие в синтезе аминокислот, из которых состоят белки, и образующих ДНК и РНК нуклеозидов. Тем не менее универсальный предок мог сформироваться из тех компонентов, что образовались в результате спонтанных химических процессов, характерных для ранней Земли.
Интересно, что результаты немецких биологов противоречат опубликованным в 2008 году выводам французских ученых. Те относили Луку к организмам, предпочитающим умеренные температуры (менее 50 градусов Цельсия). Считалось, что LUCA не мог быть термофилом из-за того, что его белки не отличались устойчивостью к высоким температурам. В то же время предки бактерий и архей вполне могли обитать в сильно нагретой среде. Новая работа обращает внимание не на непосредственную устойчивость ферментов, а на то, для каких экологических условий характерны эти белки.