"Первобытные" синтетические белки запустили метаболизм современных бактерий

Соавтор работы Ян Кэмпбелл (Ian Campbell) из Университета Райса достаёт из холодильника контейнер с ферредоксинами.

Фото Jeff Fitlow.

Контейнеры с синтетическими ферредоксинами.

Фото Jeff Fitlow.

Исследователи из США совершили прорыв в изучении одного из самых загадочных и древних процессов жизнедеятельности – метаболизма, или обмена веществ. Поясним, что речь идёт о механизмах преобразования энергии, благодаря которым организмы могут расти и размножаться, сохранять свои структуры и реагировать на воздействия окружающей среды.

Для начала специалисты изучили белки, которые играют ключевую роль в метаболизме современных клеток. Затем они разработали упрощённый белок, который, по их мнению, максимально походит на тот, что обеспечивал метаболические процессы в древних организмах.

Этот белок относится к группе под названием ферредоксины. Это подвижные переносчики электронов, называемые биологическими конденсаторами.

Ферредоксины используют железосерные кластеры, чтобы принимать электроны от одних молекул и передавать их другим. Эти белки обеспечивают обмен веществ у бактерий, растений и животных.

Современные ферредоксины имеют множество сложных форм, но считается, что все они – "потомки" гораздо более простой древней версии того же белка.

Учёные из Университета Ратгерса разработали небольшие синтетические ферредоксины, которые напоминает белки, вероятно, поддерживавшие развитие жизни миллиарды лет назад.

Подобно тому, как палеонтологи и эволюционные биологи сравнивают современных птиц и рептилий, чтобы сделать выводы об их общем предке, исследователи сравнили ферредоксины, которые присутствуют у живых существ, и, используя компьютерные модели, разработали "базовые" версии белка, которые могли существовать на более ранней стадии эволюции жизни.

Контейнеры с синтетическими ферредоксинами.

На следующем этапе специалисты совместно с коллегами из Университета Райса проверили "рабочие навыки" созданного белка.

Учёные разработали анализы для мониторинга потока электронов в клетках в пробирке и убедились, что "первобытные" ферредоксины выполняют эту функцию. Но важно было понять, способны ли белки поддерживать биологические процессы, необходимые для жизнедеятельности организмов (для чего требуется множество циклов переноса электронов между молекулами).

Для этого исследователи отредактировали геном кишечной палочки, заменив ген, который отвечает за производство современных ферредоксинов, версией, которая обеспечивает выработку более простых белков.

Хотя колонии бактерий росли медленнее, чем обычно, они выжили, и белки функционировали достаточно хорошо, обеспечивая передачу электронов между молекулами, сообщают авторы работы.

Они уверены, что подобные исследования помогут улучшить наше понимание эволюции ранней жизни на Земле и, возможно, жизни инопланетной.

С другой стороны, это достижение важно для развития синтетической биологии. Понимание основных метаболических механизмов и того, как ими можно манипулировать, позволит учёным программировать микробов для выполнения различных задач. Это, к примеру, накопление энергии и работа биоэлектроники, производство биотоплива и промышленных химикатов или даже борьба с вирусами.

Научная статья с более подробным описанием этого исследования опубликована в журнале Proceedings of the national Academy of Sciences.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о происхождении метаболизма и о новой версии зарождения всего живого на Земле, представленной химиками.