У науці популярна теорія про те, що перше життя на Землі з’явилося в так званому «первинному бульйоні». Наявні в цьому бульйоні елементи на базі вуглецю сполучалися між собою в прості молекули, поки зрештою не поклали початок зародженню примітивного життя. А ось подальший крок в еволюції викликає в середовищі вчених безліч суперечок і дискусій.
Згідно з однією популярною гіпотезою, молекули рибонуклеїнової кислоти (РНК), що містять генетичний код білків і здатні виконувати функції простих хімічних реакцій, стали тим, що поклало початок життя на нашій планеті. Деякі вчені відкидають цю ідею і говорять про те, що РНК є занадто великою і комплексною структурою для того, щоб мати право носити звання каталізатора життя. На думку цих вчених, ще до появи макромолекул у вигляді РНК простіші молекули змогли розвинути можливість використовувати метаболічні функції, без яких ніякого РНК не було б. В цілому дана ідея виступає за те, що на чолі всього, тобто найпершим з’явився саме метаболізм. І нові докази наукової групи з Іллінойського університету лише підкріплюють цю ідею.
«Всі живі істоти володіють метаболізмом, набором життєво необхідних хімічних трансформацій, що дозволяють забезпечувати ці організми енергією і матерією, необхідними для функціонування клітин. Ці метаболічні трансформації, швидше за все, з’явилися на Землі дуже рано. Можливо, що перші організми запозичили хімічні реакції, вже існуючі на той момент на планеті, засвоївши їх в клітинах через розвиток ферментативної активності», – каже Густаво Каетано-Анольес, біоінформатик і професор кафедри рослинництва Іллінойського університету.
Каетано-Анольес і його колега Ібрагім Коч з турецького Технічного університету Гебзе вирішили перевірити теорію «первинності метаболізму» через аналіз молекулярних функцій організмів, представлених в усьому їхньому царстві, і вивчили геном (набір генів) 249 окремих організмів, інформація про яких представлена в базі даних проекту «генної онтології». Унікальною цю базу даних робить те, що в ній міститься не тільки інформація про кожен продукт генів – білки або молекули РНК, але також і опис функцій кожного окремого гена цих організмів.
«Ви можете взяти цілий геном, представлений в організмі, наприклад, людський, і візуалізувати його через набір функціональних особливостей кожного окремого гена. Дослідження цих «функціонів» може розповісти вам про те, що саме робить той чи інший ген. Наприклад, ми можемо з’ясувати, яким типом каталітичних, розпізнавальних або сполучних функцій наділений конкретний продукт гена, що є набагато більш інтуїтивним для дослідження », – коментує Каетано-Анольес.
«Кращий спосіб зрозуміти живий організм – з’ясувати функції його генів», – продовжує вчений.
За словами Каетано-Анольеса, наявність однієї і тієї ж функції в геномі у різних видів може говорити про еволюційну важливість цієї функції. Таким чином дослідники вивчили всі молекулярні функції організмів, підрахували їх, а також вивели ті, які зустрічалися у всіх випадках. Основна ідея, що стоїть за всім цим, полягає в тому, що найпершими, тобто самими базовими функціями, такими як каталітичні процеси, які відповідали за появу метаболізму, найімовірніше, були наділені всі організми того часу і, отже, будуть виявлені на всьому протязі так званого дерева життя. У той же час ті функції генів, які з’явилися вже пізніше всіх інших, навпаки, будуть зустрічатися у меншого числа видів живих організмів.
За допомогою сучасних інформаційних і комп’ютерних методів дослідники створили древо, що зображує шляхи, що ведуть до базових молекулярних функцій. Ближче до основи цього древа (тобто ближче до коріння) знаходяться найдавніші функції. «Свіжіші» функції, в свою чергу, знаходяться ближче до його верхівки.
Виявилося, що біля самої основи цього древа можна виділити тільки дві молекулярні функції, які, найімовірніше, і поклали початок життя на Землі. Це метаболізм і молекулярні зв’язки.
«Цілком логічно припустити, що саме ці дві функції з’явилися першими. Так як молекулам для виробництва енергії був необхідний метаболізм. Крім того, їм було необхідно взаємодіяти один з одним», – пояснює Каетано-Анольес.
Наступними з’явилися функції, які зробили можливою появу макромолекул. Саме тут могла з’явитися РНК. Слідом з’явилися механізми, що дозволили молекулам інтегруватися в клітини, а потім і функції, які дозволяли клітинам взаємодіяти між собою і своїм оточенням.
«Врешті-решт, підбираючись до крони дерева, ми бачимо функції, пов’язані з складними процесами, що включають виробництво м’язів, шкіри або нервової системи», – говорить Каетано-Анольес.
Своїм дослідженням вчені не просто проливають світло на минуле життя. Нагадаємо, що еволюція триває досі. Тому розуміння послідовності формування цих молекулярних функцій крізь час може допомогти нам передбачити те, куди життя на Землі рушить далі.
«Коли люди говорять про еволюцію, вони озираються назад. Нам же хотілося б розробити хронологічні і методологічні моделі, які могли б відповісти на питання про те, куди ж рухається еволюція і появу яких нових молекулярних функцій нам слід від неї очікувати в майбутньому », – коментує Каетано-Анольес.
Робота сьогоднішніх фахівців безумовно зможе знайти своє застосування в біоінженерії, сфері використання біологічної інформації і комп’ютерних обчислень для створення нових біологічних форм. За словами Каетано-Анольеса, розробка нових генів в майбутньому зможе вирішити проблеми різних захворювань і поліпшити наше повсякденне життя.
«Ключ до ефективної розбудови нашого генома і наділення його новими корисними молекулярними функціями полягає в розумінні принципів роботи найпростіших молекулярних форм життя в минулому», – підсумовує вчений.
Оригінал статті Каетано-Анольеса і Ібрагіма Коча під назвою «Природна історія молекулярних функцій на базі великого філогенетичного аналізу даних генної онтології» була опублікована в журналі PLoS One.
