In een project gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF, de biochemicus Markus Keller toonde met succes aan hoe belangrijke metabole mechanismen zich vier miljard jaar geleden in cellen konden ontwikkelen. Zijn onderzoek levert geheel nieuwe inzichten op in het ontstaan ​​van het leven.

De oorsprong van het leven is misschien wel het grootste mysterie van de wetenschap. Het is nog steeds niet voldoende begrepen hoe zoiets complexs kon ontstaan ​​uit de levenloze natuur. De biochemicus Markus Keller van de Medische Universiteit van Innsbruck heeft nu een belangrijke bijdrage geleverd aan ons begrip van hoe het leven op aarde zich ontwikkelde. Een Erwin-Schrödinger Fellowship van de FWF stelde Keller in staat om in het buitenland onderzoek te doen. In de loop van zijn werk onderzocht hij hoe enkele zeer oude en complexe processen van cellulair metabolisme zich ontwikkelden. – Processen die bijna vier miljard jaar oud zijn en ook in het menselijk organisme voorkomen.

"De crux hier is hoe het metabolisme in de eerste plaats begon", zegt Keller. "Op sommige plaatsen op onze planeet zijn er zeer oude sedimenten die aantonen dat het leven meer dan 3,7 miljard jaar geleden begon. Van deze sedimenten kunnen we niet, echter, om te concluderen in welke vorm het leven precies bestond en wat de kenmerken ervan waren. We weten alleen dat er een soort van metabolische activiteit moet zijn geweest", merkt Keller op.

Sommige metabole routes zijn identiek in bijna alle levende organismen op de planeet. Een voorbeeld is glycolyse, de verwerking van suiker. "Planten, bacteriën en andere levende organismen gebruiken glucose op dezelfde manier als wijzelf. We mogen aannemen dat de processen hetzelfde waren in levensvormen die in zeer vroege stadia van evolutie bestonden. De vraag is deze:hoe kunnen deze levensvormen de tussenproducten van glycolyse onderling omzetten?"

Het mysterie van ontbrekende enzymen

Cellulair metabolisme is een ingewikkeld systeem dat afhankelijk is van een aantal enzymen. – Deze speciale eiwitten dienen als katalysatoren, en sommige processen zouden niet mogelijk zijn zonder hen. Als er een enzym ontbreekt, de hele cyclus werkt niet. Zoals Keller uitlegt, het is een kip-of-ei-probleem:wat was er eerst? De enzymen, wat zijn stofwisselingsproducten zelf? Of stofwisseling, die niet functioneert zonder enzymen? Nog maar een paar jaar geleden, het idee dat verschillende van deze metabole mechanismen zonder enzymen zouden hebben gefunctioneerd, simpelweg vanwege de heersende omgevingsomstandigheden, werd gekleineerd als "magisch denken". Maar het zijn juist deze processen waarvan Keller het bestaan ​​heeft kunnen aantonen.

Belang van ijzer in de Archeïsche Oceaan

Zijn eerste artikelen gingen over glycolyse en wat de "pentose-fosfaatroute" wordt genoemd. "In de tijd dat het leven moet zijn begonnen, de Archeïsche oceaan was relatief warm en bevatte veel ijzer in opgeloste toestand", legt Keller uit. Onder normale omstandigheden, ijzer is niet oplosbaar in water in zijn geoxideerde vorm, d.w.z. roest. Ongeveer vier miljard jaar geleden was er, echter, nauwelijks zuivere zuurstof in de atmosfeer of in de oceaan die ijzeroxidatie zou hebben ondersteund. Daarom, er waren grote hoeveelheden ijzer (II), of ijzer, die gemakkelijk in water oplost. "We hebben de omstandigheden in de Archeïsche oceaan gesimuleerd en gekeken hoe, bijvoorbeeld, fructose-6-fosfaat, een tussenproduct van het cellulaire metabolisme, in deze omgeving zou reageren. Een van de dingen die we ontdekten was dat het wordt omgezet in glucose-6-fosfaat, precies dezelfde volgorde van reactie en reactiepaden als in de levende cel. In de eerste publicaties lieten we zien dat dit op een verrassend efficiënte manier gebeurt met zeer weinig nevenreacties. Het resulteert in precies de juiste moleculen."

Metabolische processen eerst, enzymen volgende

Om deze reden, de Archeïsche oceaan was een absoluut ideale omgeving voor deze zeer oude metabolische reacties. En hier ligt de oplossing voor dit specifieke kip-of-ei-probleem:chemische metabole routes waren er eerst, en de enzymen ontwikkelden zich later. Keller kon pas onlangs een vergelijkbare situatie aantonen voor de "citroenzuurcyclus" (CAC), een ander belangrijk onderdeel van het cellulaire metabolisme. De individuele reacties kunnen ook plaatsvinden in afwezigheid van enzymen. Analoog aan moderne cellen, waar glycolyse en de CAC, die zich in de mitochondriën van de cel bevindt, afzonderlijk draaien in verschillende milieus, hun niet-enzymatische tegenhangers hebben ook verschillende chemische milieus nodig om effectief te kunnen werken. Op deze manier, de onderzoeker toonde aan dat de waarnemingen met betrekking tot glycolyse ook van toepassing waren op andere belangrijke metabole routes.

Nieuwe methoden triggeren ideeën

Keller kon deze waarnemingen doen met behulp van massaspectrometriemethoden die hij ontwikkelde tijdens zijn Schrödinger Fellowship aan de Universiteit van Cambridge. Massaspectrometrie is een uiterst gevoelige meetmethode waarbij stoffen worden afgebroken tot hun individuele moleculen of atomen om hun massa te bepalen. Keller onderzocht oorspronkelijk hoe de componenten van gistcellen konden worden geanalyseerd door middel van massaspectrometrie, omdat het niet alleen zeer nauwkeurig was, maar ook extra voordelen beloofde ten opzichte van andere methoden. Gist is een van de belangrijkste modelorganismen van de biologie, en Keller's werk was fundamenteel onderzoek met als doel het ontwikkelen van methodologie voor andere soorten onderzoek. Hij ontwikkelde het idee om samen met de microbioloog Markus Ralser naar de evolutionaire oorsprong van het cellulaire metabolisme te kijken, hoofd van de Cambridge onderzoeksgroep waar Keller lid van was. Ze vroegen ook aan Alexandra Turchyn, een expert op het gebied van Archeïsche oceanen, om zich bij hen aan te sluiten en publiceerde het eerste artikel over dit onderwerp.

Belangrijke nevenactiviteiten

"Eigenlijk had ik nooit gepland dat mijn onderzoek in deze richting zou gaan", zegt Keller. "Het eerste onderzoek naar het gistmetabolisme wacht nu ook op publicatie. Maar het was belangrijk dat ik de vrijheid had om naar deze dingen te kijken. In het begin was het slechts een bijzaak." Keller benadrukt dat sommige van deze effecten waarschijnlijk in andere onderzoeken zijn gemeten als secundaire effecten, maar niet in detail zijn gerapporteerd. "Deze reacties komen vandaag de dag nog steeds voor in cellen", merkt Keller op. Hij moedigt groepen die actief zijn op dit gebied aan om nader te kijken naar wat zij wellicht verkeerd interpreteren als meetfouten.