Wetenschap
Wetenschappers ontdekken een miljardenjarig epos dat geschreven is over de chemie van het leven
De oorsprong van het leven op aarde is lange tijd een mysterie geweest dat wetenschappers is ontgaan. Een belangrijke vraag is hoeveel van de geschiedenis van het leven op aarde door de tijd verloren is gegaan. Het is heel gebruikelijk dat een enkele soort ‘uitfaseert’ door middel van een biochemische reactie, en als dit bij voldoende soorten gebeurt, kunnen dergelijke reacties effectief ‘vergeten’ worden door het leven op aarde.
Maar als de geschiedenis van de biochemie vol staat met vergeten reacties, zou er dan een manier zijn om daar achter te komen? Deze vraag inspireerde onderzoekers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology en het California Institute of Technology (CalTech) in de VS. Ze redeneerden dat vergeten chemie zou verschijnen als discontinuïteiten of ‘breuken’ in het pad dat de chemie neemt van eenvoudige geochemische moleculen naar complexe biologische moleculen.
De vroege aarde was rijk aan eenvoudige verbindingen zoals waterstofsulfide, ammoniak en koolstofdioxide – moleculen die gewoonlijk niet in verband worden gebracht met het in stand houden van leven. Maar miljarden jaren geleden was het vroege leven afhankelijk van deze eenvoudige moleculen als grondstofbron. Naarmate het leven evolueerde, transformeerden biochemische processen deze voorlopers geleidelijk in verbindingen die vandaag de dag nog steeds voorkomen. Deze processen vertegenwoordigen de vroegste metabolische routes.
Om de geschiedenis van de biochemie te modelleren hadden ELSI-onderzoekers – speciaal benoemde universitair hoofddocent Harrison B. Smith, speciaal benoemde universitair hoofddocent Liam M. Longo en universitair hoofddocent Shawn Erin McGlynn, in samenwerking met onderzoekswetenschapper Joshua Goldford van CalTech – een inventaris nodig van alle bekende biochemische reacties, om te begrijpen welke soorten chemie het leven kan uitvoeren.
Ze wendden zich tot de Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes-database, die meer dan 12.000 biochemische reacties heeft gecatalogiseerd. Met de reacties in de hand begonnen ze de stapsgewijze ontwikkeling van het metabolisme te modelleren.
Eerdere pogingen om de evolutie van het metabolisme op deze manier te modelleren waren er steeds niet in geslaagd de meest wijdverspreide, complexe moleculen te produceren die in het hedendaagse leven worden gebruikt. De reden was echter niet geheel duidelijk. Toen de onderzoekers hun model uitvoerden, ontdekten ze net als voorheen dat er slechts een paar verbindingen konden worden geproduceerd. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Ecology &Evolution .
Eén manier om dit probleem te omzeilen is door de vastgelopen chemie een duwtje in de rug te geven door handmatig moderne verbindingen aan te bieden. De onderzoekers kozen voor een andere aanpak:ze wilden bepalen hoeveel reacties er ontbraken. En hun jacht leidde hen terug naar een van de belangrijkste moleculen in de hele biochemie:adenosinetrifosfaat (ATP).
ATP is de energievaluta van de cel omdat het kan worden gebruikt om reacties aan te sturen (zoals het bouwen van eiwitten) die anders niet in water zouden voorkomen. ATP heeft echter een unieke eigenschap:de reacties die zelf ATP vormen, vereisen ATP. Met andere woorden:tenzij ATP al aanwezig is, is er in het hedendaagse leven geen andere manier om ATP te maken. Deze cyclische afhankelijkheid was de reden waarom het model stopte.
Hoe kan dit “ATP-knelpunt” worden opgelost? Het blijkt dat het reactieve deel van ATP opmerkelijk veel lijkt op de anorganische verbinding polyfosfaat. Door toe te staan dat ATP-genererende reacties polyfosfaat gebruiken in plaats van ATP – door in totaal slechts acht reacties te modificeren – zou bijna het gehele hedendaagse kernmetabolisme kunnen worden bereikt. De onderzoekers zouden dan de relatieve leeftijden van alle veel voorkomende metabolieten kunnen schatten en gerichte vragen kunnen stellen over de geschiedenis van metabolische routes.
Eén van die vragen is of biologische reactiewegen lineair zijn opgebouwd – waarbij de ene reactie na de andere op een sequentiële manier wordt toegevoegd – of dat de reacties van de reactieketens als een mozaïek zijn ontstaan, waarin reacties van enorm verschillende leeftijden worden samengevoegd tot iets nieuws vormen. De onderzoekers konden dit kwantificeren en ontdekten dat beide soorten routes vrijwel even vaak voorkomen in het hele metabolisme.
Maar terugkerend naar de vraag die de studie inspireerde:hoeveel biochemie gaat er verloren in de tijd? "We zullen het misschien nooit precies weten, maar ons onderzoek heeft een belangrijk bewijsstuk opgeleverd:er zijn slechts acht nieuwe reacties, die allemaal doen denken aan gewone biochemische reacties, nodig om een brug te slaan tussen geochemie en biochemie", zegt Smith.
"Dit bewijst niet dat de ruimte van ontbrekende biochemie klein is, maar het laat wel zien dat zelfs reacties die uitgestorven zijn, kunnen worden herontdekt op basis van aanwijzingen die zijn achtergelaten in de moderne biochemie", concludeert Smith.