W poszukiwaniu początków życia
Wiemy, że metabolizm jest procesem podtrzymującym życie, ale jak się zaczął i jaką rolę odegrał w pojawieniu się życia na Ziemi? Projekt CARBONFIX (Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle), który uzyskał dofinansowanie z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, pozwala rzucić nowe światło na tę kwestię. Prowadzone w jego ramach badania pozwolą stwierdzić, w jaki sposób proste cząsteczki mogą się samoorganizować, aby wywołać reakcje chemiczne podobne do tych, które zachodzą podczas metabolizmu biologicznego. Katalizatorami reakcji metabolicznych zachodzących w organizmach są enzymy, a te mogą być wytwarzane tylko w żywych komórkach. Badacze CARBONFIX zidentyfikowali mechanizmy podobne do tych związanych z metabolizmem, ale mogące wystąpić w określonych warunkach bez obecności enzymów. Zbadali procesy metaboliczne wykorzystywane przez dawne formy życia do przekształcania CO2 w związki organiczne i odtworzyli niebiologiczne analogi tych szlaków wiązania CO2.
Imitowanie natury
Dwa procesy biologiczne właściwe dla dawnych form życia, które próbowano odtworzyć w ramach projektu, to tak zwany szlak Wooda–Ljungdahla (tzw. redukcyjny szlak acetylo-CoA) i odwrotny cykl Krebsa. „Oba przekształcają CO2, protony i elektrony w niewielki zestaw cząsteczek składających się wyłącznie z węgla, wodoru i tlenu, które są też uniwersalnymi elementami budulcowymi w biochemii”, mówi Joseph Moran, profesor w Instytucie Nauki i Inżynierii Supramolekularnej ISIS w Strasburgu, który otrzymał grant ERBN na prowadzenie projektu CARBONFIX. „Mimo że wielu naukowców uważa, że te dwie ścieżki, przypuszczalnie w jakiś sposób powiązane, mogły przyczynić się do powstania życia, dotychczas pomysł ten nie miał znacznego poparcia eksperymentalnego”. Aby naśladować szlak Wooda–Ljungdahla, naukowcy umieścili metaliczne żelazo, nikiel lub kobalt w ciepłej, nasyconej CO2 wodzie. To wywołało reakcję, która przekształciła CO2 w mrówczan, octan i pirogronian – te same związki pośrednie, które występują na szlaku metabolicznym. Prace nad odwrotnym cyklem Krebsa doprowadziły do podobnych wniosków. Naukowcom udało się wykazać, że jony metali i metaliczne żelazo mogą pobudzać ponad połowę reakcji składających się na ten cykl bez obecności enzymów. Dalsze badania mają na celu osiągnięcie pełnego cyklu. Wyniki te mogą mieć poważne znaczenie dla prac nad początkami życia, ponieważ wskazują, że wspomniane szlaki biologiczne mogły powstać, zanim doszło do wytworzenia się enzymów. „Ten model zakłada, że złożone reakcje chemiczne o charakterze samoorganizującym się zachodziły nieenzymatycznie, a następnie zostały ewolucyjnie udoskonalone i w ten sposób dały początek metabolizmowi, jaki znamy dzisiaj”, wyjaśnia Moran. „Pozwalałby również wyjaśnić bezpośrednio, dlaczego metabolizm działa tak, jak działa – ponieważ tak się zaczął”.
Zielona synteza
Oprócz dostarczenia nowych wskazówek dotyczących przeszłości życia na Ziemi projekt CARBONFIX może stanowić drogę do bardziej ekologicznej przyszłości i umożliwić stworzenie pełnego odwrotnego cyklu Krebsa, co pozwoliłoby skutecznie usuwać CO2 z atmosfery. Ponadto zidentyfikowane w czasie trwania projektu reakcje mogą stanowić pierwszy krok w kierunku opracowania metod przekształcania CO2 w użyteczne środki chemiczne poprzez wskazanie tanich i prostych katalizatorów. „Kwas octowy jest jednym z głównych składników octu, natomiast kwas pirogronowy jest przydatny w badaniach biologicznych”, dodaje Moran. Uczony uprzedza jednak, że do osiągnięcia tego celu potrzeba jeszcze wielu badań: „Znalezienie sposobu na przekształcenie produktów przejściowych w użyteczny związek może sprawić, że stanie się to realnym rozwiązaniem. Obecnie podjęliśmy współpracę ze specjalistami zajmującymi się katalizą heterogeniczną, aby zbadać tę możliwość”.
Słowa kluczowe
CARBONFIX, pochodzenie życia, metabolizm, chemia, enzymy, katalizatory, szlak wiązania CO2, szlak Wooda–Ljungdahla, odwrotny cykl Krebsa, zielona synteza
