누락된 생화학적 단서를 이용해 생명의 기원을 해독하다

새로운 연구에 따르면 단순한 지구화학적 화합물을 복잡한 생명체 분자로 변환하는 데는 몇 가지 “잊혀진” 생화학 반응만 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다.

지구상의 생명의 기원은 오랫동안 과학자들에게 알려지지 않은 미스터리였습니다. 주요 질문은 시간이 지남에 따라 지구 생명체의 역사가 얼마나 많이 사라졌는가입니다. 한 사람에게는 매우 흔한 일입니다. 나누다 생화학적 반응의 사용을 “단계적으로 폐지”하고, 이것이 충분한 종에 걸쳐 발생한다면 그러한 반응은 지구상의 생명체에 의해 효과적으로 “잊혀질” 수 있습니다. 하지만 생화학의 역사가 잊혀진 반응으로 가득 차 있다면 그것을 알아낼 방법이 있을까요?

이 질문은 도쿄공과대학 지구생명과학연구소(ELSI)와 미국 캘리포니아 공과대학(CalTech) 연구진에게 영감을 주었습니다. 그들은 잊혀진 화학이 단순한 지구화학적 분자에서 복잡한 생물학적 분자로 이어지는 경로에서 불연속성 또는 “단절”로 나타날 것이라고 믿었습니다.

초기 지구 생화학의 진화

초기 지구에는 일반적으로 생명 유지와 관련이 없는 분자인 황화수소, 암모니아, 이산화탄소와 같은 단순 화합물이 풍부했습니다. 그러나 수십억 년 전에 초기 생명체는 이러한 단순한 분자를 원료 공급원으로 의존했습니다. 생명이 진화함에 따라 생화학적 과정은 점차적으로 이러한 전구체를 오늘날에도 여전히 존재하는 화합물로 변화시켰습니다. 이러한 과정은 가장 오래된 대사 경로를 나타냅니다.

생물권 규모의 대사 진화 역사 모델을 구축하기 위해 연구팀은 교토 유전자 및 게놈 백과사전(KEGG) 데이터베이스에서 12,262개의 생화학 반응 데이터베이스를 수집했습니다. 출처: Goldford, J.E., Nat Evol Evol(2024)

생화학 발전의 연구 방법론

생화학의 역사를 모형화하기 위해 ELSI 연구진은 해리슨 B. Smith, 특별 임명된 부교수 Liam M. Longo와 부교수 Sean Erin McGlynn은 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구 과학자 Joshua Goldford와 협력하여 생화학 목록을 만들었습니다. 생명체가 할 수 있는 화학의 유형을 이해하기 위해 알려진 모든 생화학 반응.

그들은 12,000개 이상의 생화학적 반응을 분류한 교토 유전자 및 게놈 데이터베이스 백과사전을 참조했습니다. 피드백을 바탕으로 그들은 신진대사의 점진적인 진화를 모델링하기 시작했습니다.

대사 진화 모델링의 과제

이러한 방식으로 신진대사의 진화를 모델링하려는 이전의 시도는 현대 생명체에서 사용되는 가장 광범위하고 복잡한 분자를 생성하는 데 지속적으로 실패했습니다. 그러나 그 이유는 완전히 밝혀지지 않았습니다. 이전과 마찬가지로 연구자들이 모델을 실행했을 때 소수의 화합물만 생산될 수 있다는 사실을 발견했습니다.

이 문제를 피하는 한 가지 방법은 새로운 화합물을 수동으로 공급하여 중단된 화학을 촉매하는 것입니다. 연구자들은 다른 접근법을 선택했습니다. 그들은 얼마나 많은 것이 있는지 확인하고 싶었습니다. 상호작용 그는 실종되었습니다. 그들의 연구는 생화학에서 가장 중요한 분자 중 하나인 아데노신 삼인산(ATP)을 밝혀냈습니다.

ATP 병목현상과 그 해결책

ATP는 물에서 발생하지 않는 단백질 형성과 같은 반응을 촉매하는 데 사용될 수 있기 때문에 세포의 에너지 통화입니다. 그러나 ATP에는 다음과 같은 고유한 속성이 있습니다. ATP를 형성하는 반응 자체에는 ATP가 필요합니다.. 즉, ATP가 이미 존재하지 않는 한 오늘날 생활에서 ATP를 만들 수 있는 다른 방법은 없습니다. 이러한 순환적 종속성이 모델이 중지된 이유였습니다.

이 “ATP 병목 현상”을 어떻게 해결할 수 있습니까? 밝혀진 바와 같이, ATP의 반응성 부분은 무기 폴리인산 화합물과 매우 유사합니다. ATP 생성 반응이 ATP 대신 폴리인산염을 사용하도록 허용함으로써(총 8개의 반응만 수정함으로써) 거의 모든 현대 기본 대사 과정이 가능합니다. 그런 다음 연구자들은 모든 일반적인 대사산물의 상대적인 연령을 추정하고 대사 경로의 역사에 대해 구체적인 질문을 할 수 있습니다.

대사 경로: 선형 대 모자이크

그러한 질문 중 하나는 생물학적 경로가 선형 방식(하나의 반응이 순차적으로 추가되는 방식)으로 구성되었는지, 아니면 경로의 상호 작용이 서로 다른 연령대의 상호 작용이 함께 결합되어 다음과 같은 형성을 형성하는 모자이크로 나타나는지 여부입니다. 뭔가 새로운 것을. 연구자들은 이를 측정할 수 있었고 두 가지 유형의 경로가 모든 대사 과정에서 거의 동일하게 공통적이라는 것을 발견했습니다.

결론 및 시사점

하지만 연구에 영감을 준 질문으로 돌아가서 – 시간이 지남에 따라 얼마나 많은 생화학이 손실됩니까? “우리는 정확히 알지 못할 수도 있지만, 우리의 연구는 중요한 단서를 제공했습니다. 일반적인 생화학 반응을 연상시키는 단 8개의 새로운 반응이 지구화학과 생화학 사이의 격차를 해소하는 데 필요합니다.”라고 Smith는 말합니다.

스미스는 “이것이 누락된 생화학 영역이 작다는 것을 증명하는 것은 아니지만, 멸종된 반응이라도 현대 생화학이 남긴 단서를 통해 재발견할 수 있다는 것을 보여준다”고 결론지었다.

참고 자료: Joshua E.의 “원시적 퓨린 생합성은 고대 지구화학과 현대 신진대사를 연결합니다” 골드포드, 해리슨 B. 스미스, 윌리엄 M. 롱고, 보스웰 A. Wing과 Shun Erin McGlynn, 2024년 3월 22일, 자연생태와 진화.
도이: 10.1038/s41559-024-02361-4