Het onopgeloste mysterie van de oorsprong van het leven: een nieuwe strategie

Ondanks jaren van vooruitgang blijft de oorsprong van het leven een van de meest blijvende mysteries van de wetenschap.

“Het belangrijkste kenmerk van de biologie is dat levende wezens zijn opgebouwd uit cellen, waardoor je genetische informatie doorgeeft DNA“Ze gebruiken eiwitenzymen om hun metabolisme aan te drijven, en dat alles is ontstaan ​​door specifieke processen in een zeer vroege evolutionaire geschiedenis”, zegt Aaron Goldman, assistent-professor biologie aan het Oberlin College. “Begrijpen hoe deze fundamentele biologische systemen voor het eerst zijn gevormd, zal ons niet alleen inzicht geven in hoe het leven op een fundamenteel niveau werkt, maar wat het leven eigenlijk is en hoe we ernaar kunnen zoeken buiten de aarde.”

De vraag hoe het leven voor het eerst ontstond, wordt meestal bestudeerd door middel van laboratoriumexperimenten die de omgevingen van de vroege aarde simuleren en zoeken naar chemie die dezelfde soorten biomoleculen en metabolische reacties zou kunnen creëren die we tegenwoordig in levende wezens zien. Dit staat bekend als een “bottom-up”-benadering omdat het werkt met materialen die anders op aarde zouden zijn voor prebiotica.

Terwijl deze zogenaamde ‘prebiotische chemie’-experimenten met succes hebben aangetoond hoe te leven zou kunnen hebben Toen ze opgroeiden, kunnen ze ons niet vertellen hoe het leven eigenlijk is een handeling ontstaan. Ondertussen gebruikt ander onderzoek technieken uit de evolutiebiologie om te reconstrueren hoe vroege levensvormen er mogelijk uitzagen op basis van gegevens over het leven van vandaag. Dit staat bekend als de “top-down” benadering en kan ons iets vertellen over de geschiedenis van het leven op aarde.

Onderzoek van bovenaf kan echter alleen terugkijken, aangezien er vandaag de dag nog steeds genen in organismen bewaard zijn gebleven, en dus niet helemaal tot aan de oorsprong van het leven. Ondanks hun beperkingen streven top-down en bottom-up onderzoek naar het gemeenschappelijke doel om de oorsprong van het leven te ontdekken, en idealiter zouden hun antwoorden moeten samenvallen in een gemeenschappelijke reeks termen.

Een nieuw artikel gepubliceerd door Goldman, Lori Barge (Research Scientist in Astrobiology at the NASAstraalvoortstuwingsinstallatie (Laboratorium voor straalaandrijving)) en collega’s, om deze methodologische leemte op te vullen. De auteurs beweren dat het combineren van bottom-up laboratoriumonderzoek naar plausibele paden naar de oorsprong van het leven met top-down evolutionaire reconstructies van vroege levensvormen kan worden gebruikt om te ontdekken hoe het leven echt is ontstaan ​​op de vroege aarde.

In hun paper beschrijven de auteurs een fenomeen dat fundamenteel is voor het leven van vandaag en dat kan worden bestudeerd door zowel bottom-up als top-down onderzoek te combineren: elektronentransportketens.

Elektronentransportketens zijn een soort metabolisch systeem dat door organismen in de levensboom, van bacteriën tot mensen, wordt gebruikt om bruikbare vormen van chemische energie te produceren. De vele verschillende soorten elektronentransportketens zijn specifiek voor elke levensvorm en het energiemetabolisme dat ze gebruiken: onze mitochondriën bevatten bijvoorbeeld een elektronentransportketen die verband houdt met het heterotrofe (voedselconsumerende) energiemetabolisme; Terwijl planten een heel andere elektronentransportketen hebben Fotosynthese (Genereer energie uit zonlicht).

En in de hele microbiële wereld gebruiken organismen een breed scala aan elektronentransportketens die verband houden met een verscheidenheid aan verschillende energiemetabolische processen. Maar ondanks deze verschillen beschrijven de auteurs bewijs uit top-down onderzoek dat dit type metabole strategie werd gebruikt door zeer vroege levensvormen en bieden ze verschillende modellen voor voorouderlijke elektronentransportketens die terug te voeren zijn tot zeer vroege evolutionaire geschiedenis.

Ze onderzochten ook het huidige, bottom-up bewijs dat zelfs voordat het leven zoals wij dat kennen opkwam, de elektronentransportketen-achtige chemie mogelijk was gemaakt door mineralen en wateren van de vroege oceanen van de aarde. Geïnspireerd door deze waarnemingen schetsen de auteurs toekomstige onderzoeksstrategieën die top-down en bottom-up onderzoek naar de vroegste geschiedenis van elektronentransportketens combineren om een ​​beter begrip te krijgen van het oude energiemetabolisme en de oorsprong van het leven in bredere zin.

Deze studie is het resultaat van vijf jaar eerder werk van dit multidisciplinaire, interdisciplinaire team onder leiding van Barge bij JPL, dat werd gefinancierd door het NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life om te bestuderen hoe metabolische interacties ontstonden in geologische omgevingen op vroege aarde . . In het eerdere werk van het team is bijvoorbeeld gekeken naar specifieke interacties van elektronentransportketens die worden aangedreven door metalen (onder leiding van Jessica Weber, een onderzoekswetenschapper bij JPL); Hoe oude enzymen zou kunnen hebben Prebiotische chemie is opgenomen in hun actieve sites (onder leiding van Goldman); En Microbieel metabolisme in zeer energiebeperkte omgevingen (Onder leiding van Doug LaRue, van de Universiteit van Zuid-Californië).

“De opkomst van metabolisme is een multidisciplinaire vraag en daarom hebben we een multidisciplinair team nodig om dit te bestuderen”, zegt Barge. “Ons werk heeft technieken uit de chemie, geologie, biologie en computationele modellering gebruikt om deze top-down en bottom-up benaderingen te combineren, en dit soort samenwerking zal belangrijk zijn voor toekomstige studies van prebiotische metabolische routes.”

Referentie: “Elektronentransportketens als een venster op de vroege stadia van evolutie” door Aaron D. Procedures van de National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

De studie werd gefinancierd door de National Aeronautics and Space Administration.