Közelebb kerültünk az élet keletkezésének megértéséhez

A világ egyik vezető kémiai szakfolyóirata, a Nature Chemistry közölte annak a kísérletnek az eredményeit, amelyben Szathmáry Eörs akadémikus és munkatársai megmutatták, hogy milyen mechanizmusok vezethettek a szaporodó sejtek kialakulásához az élet keletkezésének hajnalán. Bizonyították, hogy az autokatalízis és a reakciók apró cseppekben való elkülönítése elegendő lehet ezen „elősejtek” szaporodásához és növekedéséhez. Elképzelhető, hogy hasonló folyamatok révén jött létre a földi élet, írja az mta.hu. 

Az autokatalízis folyamata volt az élet kialakulása szempontjából az egyik legfontosabb kémiai jelenség. A katalízis során a kémiai reakció sebessége megnő, mivel egy, a reakcióban tartósan nem átalakuló anyag (a katalizátor) lecsökkenti a kölcsönhatáshoz szükséges aktiválási energiát. Az autokatalízis ettől abban különbözik, hogy a reakció egyik terméke viselkedik katalizátorként. Vagyis, ahogy egyre többször megy végbe a reakció, és egyre több termék képződik, a katalizátorból is egyre több lesz, így a kölcsönhatás öngerjesztővé válhat.

Az evolúcióbiológiai elméletek szerint a hosszan fenntartott autokatalízis, illetve a kompartmentalizáció (vagyis a sejtszerű, elkülönült struktúrák létrejötte, növekedése és szaporodása) az élet létrejöttének egyik kulcsfontosságú lépése lehetett. Ennek ellenére eddig szinte senkinek sem sikerült demonstrálnia, hogy a kismolekulájú autokatalízis és a kompartmentalizáció egy rendszerben is tartósan megvalósulhat. Egy nemzetközi kutatócsoport, amelynek tagja volt Szathmáry Eörs evolúcióbiológus, az MTA rendes tagja is, azonban most létrehozott egy mesterséges kémiai rendszert, amely bizonyítja, hogy a kompartmentumokban (amelyeket nevezhetünk akár „protosejteknek” is) zajló autokatalízis elősegíti az élő sejtek működése szempontjából is alapvető jelentőségű ozmózist és diffúziót, ami a kompartmentumok növekedését eredményezi. A kísérlet eredményei, amelyet a Nature Chemistry folyóiratban publikáltak, Gánti Tibor kémikus évtizedekkel ezelőtti felvetéseit támasztják alá.

„A rendszerkémia tudományterülete, vagyis a különféle autokatalitikus rendszerek analízise és szintézise három úttörő tudós egyéniség: Manfred Eigen, Günter von Kiedrowski és Gánti Tibor munkásságának hála születhetett meg – mondta Szathmáry Eörs. – A rendszerkémia tehát szorosan összefügg az élet keletkezésének kutatásával, hiszen olyan rendszereket vizsgál, amelyek a kémiai és a biológiai evolúció közötti átmenetnek tekinthetők: bonyolultabbak, mint az egyszerű molekulák, de egyszerűbbek, mint az élő sejtek.”

Gánti Tibor már 1978-ban leírta az önreprodukáló mikrogömböket. Ezekből még hiányzott a genetikai anyag, viszont a membránjukon belül elkülönített (kompartmentalizált), kismolekulájú autokatalitikus anyagcsere-hálózatot rejtettek. Ahogy zajlik az autokatalitikus folyamat, termelődik a membránt felépítő anyag, ami végül a gömb osztódásához vezet. E rendszer látszólag élő sejtnek tűnhet, és bár hiányzik belőle a genetikai anyag, ez csak kísérletesen igazolható. Szathmáry definíciója szerint e mikrogömbök „infrabiológiai” kémiai rendszernek tekinthetők, hiszen nem érik el a biológiai szervezettség szintjét, viszont a szokványos kémiai reakciók összetettségét már meghaladják.

A tanulmány alapjául szolgáló kísérletet a párizsi ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles) intézet biokémiai laborjában végezték el Andrew Griffiths és munkatársai. Griffiths arról híres, hogy a Cambridge-i Egyetemen ő dolgozta ki az in vitro kompartmentalizációs technikát, amellyel apró kompartmentumokat lehet előállítani, és nemcsak az evolúciókutatásban hasznos, de a biotechnológiai fejlesztéseket is segítheti. Szathmáry Eörs első, tíz évvel ezelőtti ERC (Európai Kutatási Tanács) Advanced kutatási támogatásában az akadémikus mellett Griffiths volt a társkutató, innen eredeztethető az együttműködésük.

„Már e kutatások idején elkezdtünk gondolkodni azon, hogy kísérletesen is meg kellene valósítani azt a folyamatot, amikor egy kismolekulás anyagcsere-hálózat növekedése oda vezet, hogy a hálózatot magába záró kompartmentumok is növekednek, illetve valamilyen hatás folytán osztódni tudnak – folytatja Szathmáry Eörs. – Már Gánti Tibor is leírta, hogy e rendszer egyik legígéretesebb jelöltje a formóz reakció, vagyis az autokatalitikus cukorkeletkezés, amely formaldehidet fogyaszt, és glikolaldehid molekulák körkörös átalakulása és szaporodása zajlik benne. A reakció enzimeket nem igényel.”

A kísérletben apró vízcseppecskéket hoztak létre olajos közegben, amelyek nem olvadtak össze, tehát afféle mesterséges sejtekként viselkedtek. Egyes „sejtekhez” adtak glikolaldehidet autokatalizátorként (a formaldehid, mint tápanyag mellett), másokhoz viszont nem. Előbbi csoportban beindult a formóz reakció, és az ozmózis révén elszívta a vizet azon kompartmentumoktól, amelyekben nem volt glikolaldehid. Emiatt növekedni kezdtek, és külső hatásra osztódni is tudtak. Számos kutató szerint a szabályozott sejtosztódás megjelenése előtt külső hatásra, például a turbulens áramlás miatt osztódtak a kezdeti sejtek. Minthogy ehhez külső hatás kell, e mechanizmust csak szemiautonóm (részben önálló) reprodukciónak tekinthetjük. De Szathmáry Eörs szerint, ha megbízhatóan jelen volt a hatás a környezetben, akkor fenntarthatóan is működhetett a rendszer.

„Több okból is büszkék vagyunk e cikkre. Egyrészt a kísérlettel bizonyítottuk, hogy lehetséges a kémiai és a biológiai rendszerek közötti átmeneti organizációkat létrehozni – mondta el az akadémikus. –, Másrészt pedig különösen örülök, hogy ezáltal egy magyar tudós, Gánti Tibor hosszú ideig méltatlanul mellőzött gondolatai fordulnak termőre. Mindez azt mutatja, hogy a mai tudomány fejlődése sem egyértelmű és magától értetődő. Hiába hisszük, hogy ma már nem fordulhat elő, hogy egy-egy eredményt csak évtizedek múltán fedeznek fel ismét, ez a kísérlet bizonyítja, hogy ilyen hibák még ma is történnek. A tudomány fejlődése mozaikos: bizonyos elemei gyorsan haladnak, más részek viszont évtizedekig stagnálhatnak.”

A kísérlet egésze a kutatók szerint inkább analógiaként értelmezhető, nem gondolják, hogy ezekből az összetevőkből jöttek volna létre az igazi élő sejtek évmilliárdokkal ezelőtt. Ugyanakkor maga a formóz reakció valóban szerepet játszhatott a kémiai és a biológiai evolúció közötti átmenetben, hiszen a reakció révén autokatalízissel a szerves molekulák felépítésében használható cukrok jönnek létre. Bár nem ismerünk olyan baktériumot, amelyben a formóz reakció lenne az anyagcsere magja, de Szathmáry Eörs szerint az evolúció korai fázisában előfordulhatott, hogy totálisan új biokémiai rendszerek léptek a korábbiak helyébe, így nem kizárható, hogy a formóz reakció részt vett az élet keletkezésében.

Nagy kérdés, hogy hol váltott át a kémiai evolúció biológiai evolúcióba. „A kettőt az öröklődés természete különbözteti meg egymástól – vélekedik Szathmáry Eörs. – Már bizonyos kémiai rendszerek is képesek korlátozott öröklődési rendszerek kialakítására, amelyek stabilis szaporodást tesznek lehetővé. De a nukleinsavak megjelenésével teljesen más helyzet állt elő, hiszen már egy viszonylag rövid (száz építőkőből álló) nukleinsav is praktikusan végtelen (1,6 x 1060) sok különböző sorrenddel bírhat. Az örökölhető állapotok kombinatorikus robbanása jelzi az igazi biológia kezdeteit.”

E vizsgálat jelentőségét a kutató megfogalmazása szerint az adja, hogy „a világon elsőként megmutattuk, hogy a kismolekulájú autokatalitikus folyamatokból álló reakcióhálózat működése, genetikai anyag és enzimek nélkül is oda vezet, hogy a kompartmentek növekedni és osztódni kezdenek, vagyis újabb generációik jönnek létre. Ezt soha korábban nem sikerült demonstrálnia senkinek, így az eredmény alapvető jelentőségű a rendszerkémia elveinek kísérletes igazolásában, és az élet keletkezésének kutatásában is irányt mutat”.