A Cambridge kutatói igazolták, hogy a földi élet kialakulásában kulcsfontosságú szerepet játszó metabolikus folyamatok a sejten kívül, spontán is végbemehetnek. A felfedezés egyben azt sugallja, hogy az élethez szükséges komplex reakciók meglepően egyszerű eredetűek.

„Sokan vélték úgy, hogy ezek a folyamatok annyira összetettek, hogy nem jöhettek létre tisztán környezeti kémiai reakciók eredményeként” – mondja Markus Ralser, a kutatás vezetője. Az új eredmények azonban azt mutatják, hogy ez nem igaz: a legbonyolultabbnak tűnő folyamatok is végbemehettek spontán módon a Föld korai óceánjaiban, ahol enzimek helyett fémionok játszották a katalizátor szerepét.

Az anyagcsere eredetének kérdése az élet kialakulásának egyik legnagyobb rejtélye. A jelenleg létező organizmusokat megvizsgálva kiderül, hogy létezésüket rendkívül hasonló reakciók hálózatának köszönhetik, ami arra utal, hogy a metabolizmus általunk ismert folyamatai az evolúció nagyon korai szakaszában váltak általánossá, mondja Ralser. Azt azonban senki sem tudja pontosan, hogy mindez mikor és hogyan történt.

Az elméletek egy része szerint az élet legkorábbi formájában RNS-alapú volt, és a molekula által termelt enzimek tették lehetővé azokat az összetett reakciósorokat, amelyeket ma anyagcsere néven ismerünk. Az is lehetséges azonban, hogy ezek a folyamatok megelőzték az élet tényleges kialakulását, és részt vettek az első RNS-ek felépítésében is, a kialakuló sejtek pedig már kész reakciósorokat tettek magukévá.

Ez utóbbi teória alátámasztására mostanáig nagyon kevés bizonyíték állt rendelkezésre, Ralser és társai azonban megmutatták, hogy RNS jelenléte nélkül is lehetséges metabolikus hálózatokat létrehozni. A felfedezés, mint oly sok nagy eredmény, egy véletlennek köszönhető. Ralser laborjában tanítványai a sejtek növesztésére használatos tápfolyadékok minőségének rutinszerű ellenőrzését végezték, amikor egy hallgató a munka leegyszerűsítése érdekében a tömegspektrométerbe helyezte az egyik még nem használt mintát. Az elemzés mindenki nagy meglepetésére piroszőlősav jelenlétét mutatta ki az anyagban, ami glikolízis (glükózbontás) nevű anyagcsere-folyamat egyik végterméke.

Annak érdekében, hogy kiderítsék, az ősi Földön megfelelőek lehettek-e a körülmények egy hasonló reakciósor lezajlásához, ezen a ponton a szakértők bevontak néhány olyan kutatót is a projektbe, akik a bolygót 4 milliárd éve borító ősóceán összetételének meghatározásán dolgoznak. A fotoszintetizáló organizmusok felbukkanása előtt a Föld egy oxigénben rendkívül szegény világ volt, vizei viszont bővelkedtek vasban és más fémekben, illetve foszfátokban is. Mindezen anyagok pedig elviekben lehetővé tehetik a mai sejtekben létező anyagcsere-folyamatok lezajlását.

Ralser és kollégái tehát az ősóceánhoz hasonló összetételű oldatokat készítettek, majd hozzáadták a keverékhez a modern sejtek építő és bontó anyagcsere-folyamatainak nyersanyagait. A mintákat 50−70 °C-ra hevíttették, mivel hasonló hőmérsékleti viszonyok uralkodnak a tengermélyi kürtők környékén, ahol a feltevések szerint az élet kialakulása megkezdődött. Öt óra elteltével aztán a szakértők analizálták a keverékek összetételét.

„Kezdetben abban reménykedtünk, hogy egy vagy két reakció talán beindul, a végeredmény azonban minden várakozásunkat felülmúlta” – mondja Ralser. Az ismert anyagcsere-útvonalak közül kettőnek a lépéseit szinte maradéktalanul sikerült rekonstruálni. E kettő − glikolízis és a direkt oxidáció (pentóz-foszfát ciklus) − pedig a sejtszintű anyagcsere gerincét jelenti. A folyamatok eredményeként a sejtműködés szempontjából kulcsfontosságú molekulák jönnek létre, amelyek nélkül elképzelhetetlen a DNS, az RNS, a zsírok és a fehérjék szintézise.

Összesen 29 olyan kémiai reakciót sikerült azonosítani, amely kísértetiesen hasonlít a mai anyagcsere-folyamatok egy-egy lépésére. A reakciókat vas és egyéb fémek katalizálták. Az anyagcsere-útvonalak ugyanakkor nem teljesen egyeznek modern megfelelőikkel, mivel számos olyan köztes termék akadt, amelyet a kísérlet során nem sikerült detektálni. Összességében azonban nagyon hasonló a reakcióhálózatok szerkezete, és a végtermékek közt is jelentős az átfedés. Ralser szerint ez várható is volt, hiszen az enzimek megjelenésével vélhetően jelentősen átalakultak ezek a reakciósorok.

A kísérleti végtermékek közt egyebek mellett ribóz-5-foszfát jelenlétét is detektálták, ami azért nagyon jelentős felfedezés, mert a molekula az RNS egyik prekurzora, és mint ilyen, sok szempontból hasonlít rá: kódolt formában információt hordoz, kémiai reakciókat katalizál, és ami a legfontosabb, képes saját maga másolására, azaz replikálódik.

Az eredmények persze számos új kérdést is felvetnek a problémakörrel kapcsolatban. Senki sem tudja például, hogy a tesztelt anyagcsere-folyamatok nyersanyagai, vagyis a kiinduló molekulák jelen voltak-e az ősóceánban, és ha igen, hogyan kerültek oda. Furcsa továbbá, hogy a kísérletek során megfigyelt reakciók egyirányúak, vagyis összetett cukrokból egyszerűbb molekulákat hoznak létre, fordítva viszont a jelek szerint nem működnek.