Magyar kutató is segít az élet keletkezésének megértésében

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.

Fotó: pixabay.com

„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 el az mta.hu-nak 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.”

„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. 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”.

agrotrend.hu / Infostart