Magyar akadémikus részvetelével kerültünk közelebb
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.
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 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.”
***
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”.
***
A cikk elolvasható
az mta.hu-n is:
https://mta.hu/tudomany_hirei/magyar-akademikus-reszvetelevel-kerultunk-kozelebb-az-elet-keletkezesenek-megertesehez-113101
(Forrás: MTA)
------------------------------------------------------------
(Fotó: Polgár Julianna (JulCSIllag-fotó®))
------------------------------------------------------------
Szerző/Leközlő:
Polgár
Julianna
MMDR
Ex Libris-díjas költő, fotó- és képzőművész
(szerk.-
és fotórip., könyvtáros - volt Duna TV, MTI;
főszerkesztő - POLGÁRI ÖSSZMAGYAR ÖRÖMHÍR MÉDIA;
GYÖNGYSZAVÚ
MÚZSA MÉDIA - gyongy.pol.dtv.mti8@gmail.com;
budapesti
tudósító - HUNSOR.SE; Szabad Szalon (SK) - pjulcsillag8@gmail.com);
06-30/859-33-35;
https://hu.wikipedia.org/wiki/Polg%C3%A1r_Julianna
.jpg)
