История жизни на Земле становится всё длиннее: последний предок оказался не последним

Жизнь на Земле возникла так давно, что даже самые передовые методы молекулярной биологии с трудом способны заглянуть за горизонт её происхождения. Все живые существа — от бактерий до человека — происходят от одного древнего организма, существовавшего около четырёх миллиардов лет назад и известного как последний универсальный общий предок (LUCA). Однако, чтобы понять, как жизнь началась, учёным необходимо шагнуть ещё дальше — в эпоху до появления этого предка. Новый подход американских исследователей может приблизить нас к этой цели. Об этом сообщает TomsHW.

Генетические следы доисторической жизни

Команда учёных — Аарон Голдман (Оберлинский колледж), Грег Фурнье (Массачусетский технологический институт) и Бетюль Касар (Университет Висконсин-Мэдисон) — предложила инновационную методику, позволяющую реконструировать ранние этапы эволюции. Исследование, опубликованное в Cell Genomics, рассматривает так называемые универсальные паралоги — редкие семейства генов, дублирование которых произошло ещё до возникновения LUCA и которые сохранились во всех современных организмах.

Паралоги — это "родственные" гены, возникшие из одного исходного гена в результате дупликации и впоследствии развившие разные функции. Пример — гены гемоглобина человека: их восемь, но все они произошли от одного древнего гена глобина, существовавшего примерно 800 миллионов лет назад.

"Эти древние гены — единственная прямая информация, которую мы можем получить о первых клеточных линиях. Они — живые свидетели самой ранней биологической истории", — поясняет Грег Фурнье.

Схожие попытки реконструировать древние белки предпринимались и ранее — например, когда учёные воссоздали древний фермент, помогавший искать жизнь в космосе, что стало одним из первых шагов в области синтетической астробиологии.

Как универсальные паралоги открывают путь в прошлое

Универсальные паралоги встречаются почти у всех живых существ, что говорит о том, что их дупликация произошла задолго до появления общего предка. Благодаря вычислительным методам на основе искусственного интеллекта исследователи смогли проследить их эволюцию, восстановить предполагаемую структуру древних белков и определить их функции.

Результаты оказались впечатляющими: все известные универсальные паралоги связаны с синтезом белка или транспортом молекул через клеточную мембрану. Это указывает на то, что эти функции появились одними из первых в истории жизни. Производство белков и управление потоками веществ, вероятно, составляли основу работы самых ранних клеток.

"Эти гены — как реликты первых биохимических процессов. Они указывают, что ключевые механизмы современной клетки сформировались задолго до появления сложных организмов", — говорится в исследовании.

Воссоздание древних белков

Учёные не ограничились генетическим анализом — они пошли дальше и попытались реконструировать древние белки в лаборатории. Команда Голдмана воссоздала один из универсальных паралогов, отвечающих за внедрение ферментов и белков в клеточную мембрану.

Используя методы эволюционного моделирования, исследователи получили последовательность аминокислот, которая, по их оценке, могла присутствовать у древнейших организмов. Эксперимент показал, что даже упрощённая версия белка сохраняет способность связываться с мембраной и участвовать в механизмах синтеза белков — как своего рода "первичный интерфейс" между внутренним и внешним миром клетки.

Значение и перспективы

Несмотря на то, что число выявленных универсальных паралогов пока невелико, их значение трудно переоценить. Они служат мостом между гипотетическим "миром РНК" и зарождением полноценной клеточной жизни. Дефицит таких данных объясняется не недостатком технологий, а возрастом событий — четыре миллиарда лет почти полностью стерли генетические следы.

Параллельно развиваются и другие направления — например, исследования древних форм жизни в Африке, где тектоника и климат взаимодействуют на уровне континентов, что помогает лучше понять механизмы устойчивости биосферы в прошлом.

Развитие вычислительных систем, оптимизированных под задачи геномной реконструкции, открывает перспективы для поиска новых семейств древних генов. Исследователи уверены, что эти открытия помогут построить более точную картину происхождения жизни.

"Следуя по следам универсальных паралогов, мы можем связать самые первые шаги эволюции с современными научными инструментами и сделать историю возникновения жизни предметом экспериментального исследования", — подчёркивает Бетюль Касар.