利用缺失的生化线索破译生命的起源

新陈代谢是“细胞跳动的心脏”。 ELSI 的新研究追溯了从原始地球到现代的新陈代谢历史（从左到右）。 随着时间的推移，化合物检测的历史（白线）是循环的，几乎类似于心电图。 图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Francis Ready/NASA/ESA

一项新的研究表明，只需要一些“被遗忘”的生化反应就可以将简单的地球化学化合物转化为复杂的生命分子。

地球上生命的起源长期以来一直是科学家们无法解开的谜团。 主要问题是：随着时间的推移，地球上的生命历史有多少已经消失？ 对于一个人来说这是很常见的事 分类 为了“逐步淘汰”生化反应的使用，如果这种反应发生在足够多的物种中，那么此类反应可能会被地球上的生命有效地“遗忘”。 但如果生物化学的历史充满了被遗忘的反应，有什么办法可以找到答案呢？

这个问题启发了东京工业大学地球与生命科学研究所（ELSI）和美国加州理工学院（CalTech）的研究人员。 他们认为，被遗忘的化学将表现为化学从简单的地球化学分子到复杂的生物分子的路径中的不连续性或“中断”。

早期地球生物化学的演变

早期地球富含硫化氢、氨和二氧化碳等简单化合物，这些分子通常与维持生命无关。 但数十亿年前，早期生命依赖这些简单的分子作为原材料。 随着生命的进化，生化过程逐渐将这些前体转化为至今仍然存在的化合物。 这些过程代表了最古老的代谢途径。

为了在生物圈尺度上建立新陈代谢进化史的模型，研究小组从京都基因和基因组百科全书（KEGG）数据库中编制了包含12,262个生化反应的数据库。 资料来源：Goldford, J.E.，Nat Evol Evol (2024)

生物化学发展的研究方法

为了模拟生物化学的历史，ELSI 研究人员特别任命了副教授 Harrison B. Smith 和特别任命的副教授 Liam M. Longo 和副教授 Sean Erin McGlynn 与加州理工学院的研究科学家 Joshua Goldford 合作，创建了一份生物化学清单。 所有已知的生化反应，以了解生命能够发生的化学类型。

他们求助于京都基因和基因组百科全书数据库，该数据库收录了 12,000 多个生化反应。 有了反馈，他们开始模拟新陈代谢的逐渐演化。

代谢进化建模面临的挑战

以前以这种方式模拟新陈代谢进化的尝试始终未能产生现代生活中使用的最广泛和最复杂的分子。 然而，原因尚不完全清楚。 和以前一样，当研究人员运行他们的模型时，他们发现只能产生少量化合物。

解决这个问题的一种方法是通过手动提供新鲜化合物来催化停滞的化学反应。 研究人员选择了一种不同的方法：他们想确定有多少 互动 他失踪了。 他们的研究使他们发现了生物化学中最重要的分子之一：三磷酸腺苷（ATP）。

ATP瓶颈及其解决方案

ATP 是细胞的能量货币，因为它可用于催化在水中不会发生的反应，例如构建蛋白质。 然而，ATP 有一个独特的属性： 形成 ATP 的反应本身需要 ATP。 换句话说，除非 ATP 已经存在，否则当今生活中没有其他方法可以制造 ATP。 这种循环依赖性是模型停止的原因。

如何解决这个“ATP瓶颈”？ 事实证明，ATP 的反应部分与无机多磷酸盐化合物非常相似。 通过允许 ATP 生成反应使用多磷酸盐代替 ATP（总共仅修改八个反应），几乎所有现代基本代谢过程都是可能的。 然后，研究人员可以估计所有常见代谢物的相对年龄，并提出有关代谢途径历史的具体问题。

代谢途径：线性与镶嵌

其中一个问题是，生物途径是否以线性方式构建（一个接一个的反应以顺序方式添加），或者途径的相互作用是否以马赛克形式出现，其中不同年龄的相互作用连接在一起形成新鲜玩意。 研究人员能够对此进行测量，并发现这两种类型的途径在所有代谢过程中几乎同样常见。

结论和启示

但回到激发这项研究的问题——随着时间的推移，有多少生物化学物质丢失了？ 史密斯说：“我们可能永远无法确切知道，但我们的研究提供了一条重要线索：只需八种新反应，所有这些反应都让人想起常见的生化反应，就可以弥合地球化学和生物化学之间的差距。”

“这并不能证明生物化学缺失的区域很小，但它确实表明，即使已经灭绝的反应也可以通过现代生物化学留下的线索重新发现，”史密斯总结道。

参考文献：《原始嘌呤生物合成将古代地球化学与现代新陈代谢联系起来》作者：Joshua E. 戈德福德，哈里森 B. 史密斯，威廉 M. 隆戈，博斯韦尔 A. Wing 和 Shun 艾琳·麦格林，2024 年 3 月 22 日， 自然生态与进化。
号码：10.1038/s41559-024-02361-4