Ursprunget till livet på jorden har länge varit ett mysterium som gäckat forskarna. En nyckelfråga är hur stor del av livets historia på jorden som har gått förlorad i tiden. Det är ganska vanligt att en enskild art ”fasar ut” en biokemisk reaktion, och om detta sker för tillräckligt många arter kan sådana reaktioner i praktiken ”glömmas bort” av livet på jorden.
Men om biokemins historia är full av bortglömda reaktioner, finns det då något sätt att veta det? Denna fråga inspirerade forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology och California Institute of Technology (CalTech) i USA. De resonerade som så att bortglömd kemi skulle framträda som diskontinuiteter eller ”avbrott” i den väg som kemin tar från enkla geokemiska molekyler till komplexa biologiska molekyler.
Den tidiga jorden var rik på enkla föreningar som vätesulfid, ammoniak och koldioxid – molekyler som vanligtvis inte förknippas med att upprätthålla liv. Men för miljarder år sedan förlitade sig det tidiga livet på dessa enkla molekyler som råmaterialkälla. Allt eftersom livet utvecklades omvandlade biokemiska processer gradvis dessa prekursorer till föreningar som finns kvar än idag. Dessa processer representerar de tidigaste metaboliska vägarna.
För att kunna modellera biokemins historia behövde ELSI-forskarna – Specially Appointed Associate Professor Harrison B. Smith, Specially Appointed Associate Professor Liam M. Longo och Associate Professor Shawn Erin McGlynn, i samarbete med Research Scientist Joshua Goldford från CalTech – en inventering av alla kända biokemiska reaktioner för att förstå vilka typer av kemi som livet kan utföra.
De vände sig till databasen Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, som har katalogiserat mer än 12.000 biokemiska reaktioner. Med reaktionerna i handen började de modellera den stegvisa utvecklingen av ämnesomsättningen.
Tidigare försök att modellera metabolismens utveckling på detta sätt hade konsekvent misslyckats med att producera de mest utbredda, komplexa molekylerna som används av det moderna livet. Anledningen var dock inte helt klar. Precis som tidigare, när forskarna körde sin modell, fann de att endast ett fåtal föreningar kunde produceras. Forskningen publiceras i tidskriften Nature Ecology & Evolution.
För att konstruera en modell av metabolismens evolutionära historia på biosfärisk skala sammanställde forskargruppen en databas med 12.262 biokemiska reaktioner från databasen Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG). Kredit: Goldford, J.E., Nat Ecol Evol (2024)
Ett sätt att kringgå detta problem är att knuffa på den avstannande kemin genom att manuellt tillhandahålla moderna föreningar. Forskarna valde ett annat tillvägagångssätt: De ville ta reda på hur många reaktioner som saknades. Och deras jakt ledde dem tillbaka till en av de viktigaste molekylerna inom hela biokemin: adenosintrifosfat (ATP).
ATP är cellens energivaluta eftersom det kan användas för att driva reaktioner – som att bygga proteiner – som annars inte skulle ske i vatten. ATP har dock en unik egenskap: De reaktioner som bildar ATP kräver själva ATP. Med andra ord, om inte ATP redan finns, finns det inget annat sätt för dagens liv att tillverka ATP. Detta cykliska beroende var anledningen till att modellen stannade upp.
Hur kunde denna ”ATP-flaskhals” lösas? Det visade sig att den reaktiva delen av ATP är anmärkningsvärt lik den oorganiska föreningen polyfosfat. Genom att låta ATP-genererande reaktioner använda polyfosfat istället för ATP – genom att modifiera bara åtta reaktioner totalt – kunde nästan hela den moderna kärnmetabolismen uppnås. Forskarna kunde sedan uppskatta den relativa åldern för alla vanliga metaboliter och ställa viktiga frågor om de metaboliska vägarnas historia.
En sådan fråga är om biologiska vägar byggdes upp på ett linjärt sätt – där den ena reaktionen efter den andra läggs till i en följd – eller om reaktionerna i vägarna uppstod som en mosaik, där reaktioner av mycket olika åldrar sammanfogas för att bilda något nytt. Forskarna kunde kvantifiera detta och fann att båda typerna av vägar är nästan lika vanliga inom hela ämnesomsättningen.
Men för att återgå till den fråga som inspirerade studien – hur mycket biokemi går förlorad med tiden? ”Vi kanske aldrig får veta exakt, men vår forskning har gett oss ett viktigt bevis: det behövs bara åtta nya reaktioner, som alla påminner om vanliga biokemiska reaktioner, för att överbrygga geokemi och biokemi”, säger Smith.
”Detta bevisar inte att utrymmet för saknad biokemi är litet, men det visar att även reaktioner som har dött ut kan återupptäckas med hjälp av ledtrådar som lämnats kvar i modern biokemi”, avslutar Smith.
Ytterligare information: Joshua E. Goldford et al, Primitive purine biosynthesis connects ancient geochemistry to modern metabolism, Nature Ecology & Evolution (2024). DOI: 10.1038/s41559-024-02361-4
