Связывающие металлы белки помогут узнать о первых этапах эволюции

Проблема возникновения живого из неживой материи входит в число самых фундаментальных и сложных в биологии. Ученые предложили множество сценариев появления первых живых организмов, однако все они остаются гипотетическими. Важным аспектом этого вопроса считают возникновение метаболизма, то есть обмена веществ.

Метаболизм — это прежде всего удовлетворение потребности клетки в энергии, что на уровне молекул сводится к транспорту электронов. Для него, в свою очередь, необходимы так называемые окислительно-восстановительные реакции. В этих химических превращениях нередко участвуют различные металлы вроде железа, которые могут принимать и отдавать электроны. А поскольку любые биохимические процессы связаны с белками, новая статья в Science Advances рассматривает одновременно и то, и другое. То есть белки, которые способны связывать металлы.

Ученые использовали методы биоинформатики, а именно сравнение белковых последовательностей с учетом структур молекул. Оказалось, что связывающие различные металлы белки состоят из универсальных структурных блоков, которые могут быть «перетасованы». При этом не так важно, какой из металлов удерживает конкретная молекула белка — железо, медь, марганец или что-то еще.

«Мы заметили, что связывающие металлы части разных белков в действительности очень похожи, даже если сами белковые молекулы сильно отличаются» — говорит Яна Бромберг, профессор Департамента биохимии и микробиологии Ратгерского университета, Нью-Джерси. Она возглавила международный коллектив исследователей, финансовую поддержку которому оказало NASA. «К тому же оказалось, что связывающая металлы основа нередко состоит из одних и тех же повторяющихся структур — получается что-то вроде конструктора LEGO. Любопытно, что такие строительные блоки могут находиться и в других частях молекулы, а не только в этой специализированной. Подобные блоки обнаружены и у множества других белков, которые мы не рассматриваем в нашей работе» — продолжает профессор.

Авторы предполагают, что все известное нам многообразие белков исходно произошло от одной группы, так называемых оксидоредуктаз — ферментов, необходимых для переноса электронов. Согласно их расчетам, эти самые древние биологически активные молекулы существовали уже 3,8 миллиардов лет назад. Новая статья стала важным вкладом в изучение ранних этапов эволюции белковых молекул, и не только их.

Мы по-прежнему очень мало знаем о том, как возникла жизнь на нашей планете. Авторы этого исследования считают, что их результат дает представления о древнем и примитивном метаболизме, которые имели самые первые формы жизни. Новые данные могут быть также полезны для синтетической биологии и при поиске внеземной жизни.