מטבוליזם הוא "הלב הפועם של התא". מחקר חדש של ELSI משחזר את ההיסטוריה של חילוף החומרים מכדור הארץ הקדמוני ועד לימינו המודרני (משמאל לימין). ההיסטוריה של גילוי תרכובות לאורך זמן (קו לבן) היא מחזורית, כמעט דומה לא.ק.ג. קרדיט: מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א/פרנסיס רדי/נאס"א/ESA
מחקר חדש מדגים שרק קומץ של תגובות ביוכימיות "נשכחות" נחוצות כדי להפוך תרכובות גיאוכימיות פשוטות למולקולות המורכבות של החיים.
מקור החיים על פני כדור הארץ היה זה מכבר תעלומה שחמקה ממדענים. שאלת מפתח היא כמה מתולדות החיים על פני כדור הארץ אבדו בזמן. זה די נפוץ ליחיד מִין "להפסיק" באמצעות תגובה ביוכימית, ואם זה יקרה על פני מספיק מינים, תגובות כאלה עלולות למעשה להישכח על ידי החיים על כדור הארץ. אבל אם ההיסטוריה של הביוכימיה גדושה בתגובות שנשכחו, האם תהיה דרך לדעת?
שאלה זו נתנה השראה לחוקרים מהמכון למדעי כדור הארץ (ELSI) במכון הטכנולוגי של טוקיו, ומהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (CalTech) בארה"ב. הם טענו כי כימיה נשכחת תופיע כאי-רציפות או "הפסקות" בנתיב שהכימיה עוברת ממולקולות גיאוכימיות פשוטות למולקולות ביולוגיות מורכבות.
אבולוציה של הביוכימיה הקדומה של כדור הארץ
כדור הארץ המוקדם היה עשיר בתרכובות פשוטות כמו מימן גופרתי, אמוניה ופחמן דו חמצני – מולקולות שאינן קשורות בדרך כלל לקיום חיים. אבל, לפני מיליארדי שנים, החיים המוקדמים הסתמכו על מולקולות פשוטות אלה כמקור חומר גלם. ככל שהחיים התפתחו, תהליכים ביוכימיים הפכו בהדרגה את המבשרים הללו לתרכובות שנמצאות עד היום. תהליכים אלה מייצגים את המסלולים המטבוליים המוקדמים ביותר.
כדי לבנות מודל של ההיסטוריה האבולוציונית של מטבוליזם בקנה מידה ביוספרה, צוות המחקר הרכיב מסד נתונים של 12,262 תגובות ביוכימיות ממסד הנתונים של קיוטו אנציקלופדיה של גנים וגנומים (KEGG). קרדיט: Goldford, JE, Nat Ecol Evol (2024)
מתודולוגיית מחקר על אבולוציה ביוכימית
על מנת להדגים את ההיסטוריה של הביוכימיה, חוקרי ELSI – פרופסור חבר מונה במיוחד האריסון ב. סמית', פרופסור משנה ליאם מ. לונגו ופרופסור-משנה שון ארין מקגלין, בשיתוף עם מדען המחקר ג'ושוע גולדפורד מ-CalTech – נזקקו למלאי של כל התגובות הביוכימיות הידועות, כדי להבין אילו סוגי כימיה חיים מסוגלים לבצע.
הם פנו למסד הנתונים של אנציקלופדיית הגנים והגנומים של קיוטו, שקיטלג יותר מ-12,000 תגובות ביוכימיות. עם תגובות ביד, הם החלו לדגמן את ההתפתחות הדרגתית של חילוף החומרים.
אתגרים במודלים של אבולוציה מטבולית
ניסיונות קודמים להדגים את התפתחות המטבוליזם בדרך זו לא הצליחו באופן עקבי לייצר את המולקולות הנפוצות והמורכבות ביותר המשמשות את החיים העכשוויים. עם זאת, הסיבה לא הייתה ברורה לחלוטין. בדיוק כמו בעבר, כשהחוקרים הפעילו את המודל שלהם, הם גילו שניתן לייצר רק כמה תרכובות.
אחת הדרכים לעקוף בעיה זו היא לדחוף את הכימיה המעוכבת על ידי אספקת תרכובות מודרניות באופן ידני. החוקרים בחרו בגישה אחרת: הם רצו לקבוע כמה תגובות היו חסרים. והציד שלהם הוביל אותם בחזרה לאחת המולקולות החשובות ביותר בכל הביוכימיה: אדנוזין טריפוספט (ATP).
צוואר הבקבוק של ATP והרזולוציה שלו
ATP הוא מטבע האנרגיה של התא מכיוון שניתן להשתמש בו כדי להניע תגובות – כמו בניית חלבונים – שאחרת לא היו מתרחשות במים. עם זאת, ל-ATP יש תכונה ייחודית: התגובות היוצרות ATP עצמן דורשות ATP. במילים אחרות, אלא אם כן ATP כבר קיים, אין דרך אחרת לחיים של היום ליצור ATP. תלות מחזורית זו הייתה הסיבה לכך שהמודל נעצר.
כיצד ניתן היה לפתור את "צוואר הבקבוק" הזה? כפי שמתברר, החלק התגובתי של ATP דומה להפליא לתרכובת האנאורגנית פוליפוספט. על ידי מתן אפשרות לתגובות יוצרות ATP להשתמש בפוליפוספט במקום ב-ATP – על ידי שינוי שמונה תגובות בלבד בסך הכל – ניתן היה להשיג כמעט את כל חילוף החומרים של הליבה העכשווית. לאחר מכן החוקרים יכלו להעריך את הגילאים היחסיים של כל המטבוליטים הנפוצים ולשאול שאלות נוקבות על ההיסטוריה של מסלולים מטבוליים.
מסלולים מטבוליים: ליניארי לעומת פסיפס
שאלה אחת כזו היא האם מסלולים ביולוגיים נבנו בצורה ליניארית – שבה תגובה אחת אחרי השניה מתווספת באופן רציף – או שתגובות המסלולים הופיעו כפסיפס, שבו תגובות בגילאים שונים בתכלית מחוברות יחדיו. ליצור משהו חדש. החוקרים הצליחו לכמת זאת, ומצאו ששני סוגי המסלולים נפוצים כמעט באותה מידה בכל חילוף החומרים.
מסקנה והשלכות
אבל אם נחזור לשאלה שהיווה השראה למחקר – כמה ביוכימיה אבודה לזמן? "אולי לעולם לא נדע בדיוק, אבל המחקר שלנו הניב עדות חשובה: רק שמונה תגובות חדשות, שכולן מזכירות תגובות ביוכימיות נפוצות, נחוצות כדי לגשר בין גיאוכימיה וביוכימיה", אומר סמית'.
"זה לא מוכיח שהמרחב של הביוכימיה החסרה הוא קטן, אבל זה מראה שאפילו תגובות שנכחדו ניתנות לגילוי מחדש מרמזים שנותרו מאחור בביוכימיה המודרנית", מסכם סמית'.
