Биологи исследовали ДНК бактерий и архей, выделив из ныне существующих генных семейств наиболее древние — вероятно, унаследованные еще от последнего общего предка всех живых организмов. Это позволило показать, что его метаболизм полностью зависел от подводных гидротермальных источников, близ которых обитал протоорганизм. Об этом рассказывает статья, опубликованная журналом Nature Microbiology.
Последний общий предок всех живых организмов – LUCA (Last Common Universal Ancestor) – мог существовать более 3,8 млрд лет назад, дав начало двум базовым доменам живого, археям и бактериям, из которых впоследствии произошли и ядерные клетки эукариот. Особенности жизни и метаболизма LUCA остаются одним из самых интригующих вопросов современной биологии. Чтобы ответить на него, ученые ищут наиболее универсальные, важные и древние гены, которые современные организмы могли получить еще от «первопредка».
Такие работы указали на 30-100 белковых семейств, необходимых для работы рибосом и ферменты трансляции ДНК. Однако, как указывают Уильям Мартин (William Martin) и его коллеги по Дюссельдорфскому университету имени Генриха Гейне, эти результаты опираются на поиски генов, общих хотя бы у одной группы современных бактерий и одной – архей. Из-за широкой распространенности горизонтального переноса генов между теми и другими организмами эти данные страдают неточностью. Поэтому Мартин с соавторами провели поиск генов, встречающихся как минимум у двух крупных групп бактерий, и двух – архей.
Ученые проанализировали более 6,1 млн кодирующих белки генов из ДНК 1847 современных видов бактерий и 134 архей, объединив их в 258,5 тыс. семейств. Около 11 тыс. из них обнаруживаются у представителей обоих доменов жизни, однако лишь 355 демонстрируют структурную гомологию и имеются более чем у двух видов бактерий и архей, что делает их весьма вероятными кандидатами на древнейшее – еще до расхождения этих доменов – происхождение. Ученые отмечают, что функции львиной доли этих потенциальных генов LUCA (294, или 83% от общего числа) уже известны. Это позволяет в общих чертах описать физиологию и экологию первых протоорганизмов.
Авторы пишут, что функции, структуры и простетические группы этих белков указывают на LUCA как на строго анаэробный (живущий в отсутствии кислорода) хемолитоавтотрофный (получающий органические вещества из неорганических), термофильный (предпочитающий сравнительно высокую температуру среды) организм. Он мог восстанавливать диоксид углерода с помощью водорода при посредничестве ацетил-кофермента А, используя биохимический путь Вуда – Льюнгдаля, как некоторые метаногенные и ацетогенные археи сегодня. Помимо ацетил-кофермента А, белки LUCA полагались на работу и других кофакторов, включая флавины, ферредоксины, переходные металлы и селен.
По-видимому, у LUCA отсутствовали белки, необходимые для создания трансмембранного градиента протонов. Зато в числе обнаруженных Мартином и его соавторами генов оказался ген, кодирующий домены АТФ-синтазы, фермента, который использует этот градиент при синтезе АТФ, основного носителя энергии в клетке. Ученые предполагают, что LUCA мог использовать для этой цели естественный градиент водорода, присутствовавший в геологически активной внешней среде вокруг него. Интересно также и полное отсутствие у LUCA генов для синтеза аминокислот: возможно, их предок также получал извне, где кипели активные химические реакции. По словам Мартина, LUCA был «лишь наполовину живым», глубоко завися от абиотических процессов, протекавших снаружи.
Такое жизнеописание LUCA можно считать еще одним свидетельством в пользу идеи о том, что настоящей «колыбелью жизни» на Земле были гидротермальные источники на дне древних океанов. Их горячая, богатая водородом, насыщенная солями и минералами вода способна поддерживать весьма сложные абиотические химические процессы, обеспечивая протоорганизмы необходимыми веществами, в том числе и органическими. Такие «черные курильщики» и сегодня остаются настоящими оазисами жизни на пустынной многокилометровой глубине, питая весьма необычные и густонаселенные экосистемы. Поэтому вряд ли удивительна уверенность многих ученых в том, что именно здесь обитал LUCA.
Анализируя возможный геном LUCA, Уильям Мартин и его коллеги указывают и на современные организмы, во многом сохранившие его древнейший образ жизни и метаболизм: анаэробные бактерии клостридии и археи-метаногены.
Роман Фишман