Biologen worstelen nog steeds met het mysterie van de oorsprong van het leven op aarde. Het is noodzakelijk om te begrijpen hoe primitieve bacteriën en andere levensvormen zijn ontstaan. Er is weinig bekend over het voorouderorganisme, maar genomica stelt ons in staat iets te weten te komen over de oudste wezens die de wereld bewoonden aan het begin van zijn bestaan. "Lenta.ru" vertelt over een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature, waarin de auteurs proberen de vraag te beantwoorden wie LUCA (laatste universele gemeenschappelijke voorouder) was, Luca is de universele gemeenschappelijke voorouder van alle moderne organismen.
Er waren nog geen drie domeinen (superrijken) van leven - bacteriën, archaea en eukaryoten, maar het bestond al. Dit organisme is een tussenliggende schakel tussen de levenloze omgeving van de vroege aarde en de eerste microben die 3,8-3,5 miljard jaar geleden in rotsen leefden. Het is niet bekend hoe Luke eruit zag en in welke omstandigheden hij leefde. Wetenschappers hebben, net als detectives, de basiskenmerken stukje bij beetje gereconstrueerd. We gingen uit van het volgende principe: aangezien Luke de voorouder is van alle levende organismen, betekent dit dat ze een aantal eigenschappen van hem hebben geërfd. Op basis van de biologische kenmerken die inherent zijn aan elk levend wezen, hebben biologen een portret gemaakt van Luke: een eencellig organisme dat op een bacterie lijkt.
Een nieuwe studie door Duitse wetenschappers maakte het mogelijk om de interne organisatie van de universele voorouder te verduidelijken. Wetenschappers hebben vastgesteld welke genen Luke's DNA kunnen bevatten. Om dit te doen, gebruikten ze een fylogenetische benadering, met andere woorden, ze analyseerden de evolutionaire relaties tussen verschillende soorten leven op aarde. Dit gebeurde op de volgende manier. Nadat ze hadden vastgesteld welke eiwitten worden gecodeerd door het prokaryotische genoom, selecteerden biologen de eiwitten die aan verschillende criteria voldeden. Ten eerste moet het eiwit aanwezig zijn in de hogere taxa van zowel bacteriën als archaea. Ten tweede, als we een fylogenetische boom construeren - een diagram dat evolutionaire relaties weergeeft - dan zouden bacteriën en archaea die dit eiwit bezitten een monofyletische groep moeten vormen, dat wil zeggen, een gemeenschappelijke voorouder hebben. De laatste voorwaarde vergroot de kans dat dezelfde eiwitten aanwezig waren in Luke,en van hem werden doorgegeven aan nakomelingen.
In totaal werden meer dan zes miljoen genen die coderen voor eiwitten geanalyseerd en aanwezig in 1.847 bacteriële en 134 archaeale genomen. Van het totaal vormden wetenschappers 286514 groepen (clusters), waarvan er slechts ongeveer 11 duizend bacteriële en archaeale eiwitten bevatten. Toen de fylogenetische bomen werden gebouwd en de eiwitgroepen werden getest om het monofyletische principe te volgen, bleven er slechts 335 clusters over die aan de initiële voorwaarden voldeden. Alle eiwitten in het uiteindelijke monster waren volgens biologen aanwezig in het LUCA-genoom. Opgemerkt moet worden dat deze criteria de mogelijkheid van horizontale genoverdracht niet uitsluiten. Zo kon een eiwit dat voor het eerst verscheen in vroege bacteriën Archea binnendringen en zich verspreiden onder vertegenwoordigers van elk van de domeinen, hoewel het nooit in het lichaam van Luke aanwezig was.
Biologen waren geïnteresseerd in de genen die de "informatiekern" vormen in de cellen van levende organismen. We hebben het over 19 eiwitten die betrokken zijn bij de synthese van ribosomen, evenals 8 enzymen die een grote rol spelen bij de vorming van transport-RNA (ze verplaatsen aminozuren naar de bouwplaatsen van eiwitmoleculen).
Zwarte rokers
Promotie video:
Foto: NOAA / Wikipedia
Het gereconstrueerde genoom van Luka suggereert dat het een anaëroob (aangepast aan een zuurstofvrije omgeving) wezen was dat de energie ontving die nodig was voor het leven als gevolg van chemosynthese - chemische reacties die mineralen oxideren. Blijkbaar leefde de universele voorouder in de buurt van hydrothermale ventilatieopeningen, zoals zwarte rokers. Dit wordt aangegeven door de mogelijke aanwezigheid van gyrases erin - enzymen die specifiek zijn voor thermofiele (thermofiele) organismen. Ook in LUCA waren er hoogstwaarschijnlijk enzymen die chemosynthese mogelijk maken, waarbij kooldioxide de enige bron van koolstof is. Over het algemeen kan dit organisme energie ontvangen van gassen zoals waterstof, kooldioxide en stikstof.
Sommige van de enzymen bevatten ijzer-zwavel (FeS) clusters, een groep cofactormoleculen die specifiek binden aan eiwitten en hun katalytische activiteit bepalen. Dit geeft aan dat Luke in een ijzerrijke omgeving leefde. Een andere groep eiwitten die betrokken zijn bij het suikermetabolisme is geïdentificeerd: glycosylasen en hydrolasen. Deze enzymen in moderne cellen zijn belangrijk voor de synthese van de celwand, wat kan duiden op het bestaan van een primitieve celwand in LUCA.
De Grote Prismatische Bron is een typische archeologische habitat
Foto: Jim Urquhart / Reuters
De bevindingen van de onderzoekers bevestigen een aantal belangrijke stellingen. FeS-clusters, evenals overgangsmetalen in de samenstelling van cofactoren, zijn de erfenis van het oude metabolisme. De eerste levende organismen ontstonden in hydrothermale ventilatieopeningen. Chemische reacties die plaatsvonden aan de rand van het watermilieu en rotsachtige rotsen creëerden de voorwaarden voor het ontstaan van leven. De eerste vertegenwoordigers van bacteriën en archaea waren autotrofen, afhankelijk van waterstof en gebruikmakend van kooldioxide als terminale acceptor in het energiemetabolisme (bij dieren en planten speelt ingeademde zuurstof deze rol).
De geconstrueerde fylogenetische bomen maakten het niet mogelijk om de eiwitten te isoleren die kenmerkend zijn voor LUCA, die betrokken waren bij de synthese van aminozuren waaruit eiwitten bestaan en de nucleosiden die DNA en RNA vormen. Desalniettemin zou een universele voorouder kunnen zijn gevormd uit die componenten die werden gevormd als resultaat van spontane chemische processen die kenmerkend zijn voor de vroege aarde.
Interessant is dat de resultaten van Duitse biologen in tegenspraak zijn met de bevindingen van Franse wetenschappers die in 2008 zijn gepubliceerd. Ze schreven ui toe aan organismen die de voorkeur geven aan gematigde temperaturen (minder dan 50 graden Celsius). Er werd aangenomen dat LUCA geen thermofiel kon zijn vanwege het feit dat de eiwitten niet bestand waren tegen hoge temperaturen. Tegelijkertijd hadden de voorouders van bacteriën en archaea heel goed in een sterk verwarmde omgeving kunnen leven. Het nieuwe werk besteedt geen aandacht aan de onmiddellijke stabiliteit van enzymen, maar aan de omgevingscondities waarvoor deze eiwitten kenmerkend zijn.
Alexander Enikeev
