Jak „úžasná“ byla velká událost okysličení? Enzym „Rodokmen“ odhaluje, že organismy nejprve začaly používat kyslík

Vklady v páskovaném železa, jako je tento, obsahují stopy pro hlavní událost okysličení. Uznání: Weizmann Institute of Science

Pohled na vývoj enzymů ukazuje, že život přišel na to, jak používat kyslík dlouho před hlavní událostí.

Asi před 2,5 miliardami let zažila naše planeta možná největší změnu ve své historii: Podle geologického záznamu se molekulární kyslík náhle stal všudypřítomným. Důkazy o „hlavní události okysličení“ (GOE) jsou jasně viditelné, například v páskovaných formacích železa obsahujících oxidované železo. GOE bylo samozřejmě to, co umožňovalo vývoj organismu využívajícího kyslík – respirační zařízení – a nakonec i nás samotných. Byla to ale opravdu „velká událost“ v tom smyslu, že změna byla radikální a náhlá, nebo již v té době žijící organismy používaly nižší hladinu volného kyslíku?

Prof. Dan Tawfik vysvětluje, že datování GOE je nesporné, stejně jako skutečnost, že molekulární kyslík je produkován fotosyntetickými mikroorganismy. Chemicky vzato, energie odebraná ze světla rozděluje vodu na protony (vodíkové ionty) a kyslík. Elektrony vyrobené v tomto procesu byly použity k vytvoření energeticky úsporných sloučenin (cukrů) a kyslík, vedlejší produkt, byl původně uvolňován do životního prostředí.

Dan Tawfik a Jagoda Jabłońska

Prof. Dan Tawfik a Jagoda Jabłońska. Uznání: Weizmann Institute of Science

Nevyřešená otázka však zní: Shodovala se produkce kyslíku s GOE, nebo měly živé organismy přístup ke kyslíku ještě před touto událostí? Jedna strana této debaty spočívá v tom, že molekulární kyslík by před GOE neexistoval, protože chemie atmosféry a oceánů předtím umožňovala kyslíku uvolněnému fotosyntézou okamžitě chemicky reagovat. Druhý aspekt debaty však naznačuje, že část kyslíku produkovaného fotosyntetickými mikroorganismy mohla být uvolněna dostatečně dlouho na to, aby si je nefosyntetické organismy mohly uchovat pro své použití ještě před GOE. Několik předpokladů mezi nimi naznačuje „oázy“ nebo krátkodobé „vlny“ atmosférického okysličování.

Jagoda Jabłońska, studentka výzkumu ve Tawfikově skupině, si myslela, že zaměření skupiny – vývoj bílkovin – by mohlo pomoci problém vyřešit. To znamená, že pomocí metod sledování, jak a kdy se vyvinuly různé bílkoviny, se mohl s Tawfikem naučit, kdy živé organismy začaly zpracovávat kyslík. Takové fylogenetické stromy se široce používají k odhalení historie druhů nebo lidských rodin, jakož i historie rodin bílkovin, a Jabłońska se rozhodla použít podobný přístup k odhalení vývoje enzymů na bázi kyslíku.

Rodokmen enzymů

Když organismy poprvé začaly používat kyslík, objevil se enzymový „rodokmen“. Uznání: Weizmann Institute of Science

Pro zahájení studie uvedla Jabłońska přibližně 130 rodin enzymů, které vytvářejí nebo využívají kyslík v životních formách bakterií a archaeí, které existují v Archean Eon (doba mezi vznikem života, přibližně 1250 metrů). Před 4 miliardami let a GOE). Z nich vybral asi polovinu, kde byla aktivita využívající kyslík nebo rozptylující aktivita zjištěna u většiny nebo všech členů rodiny a vypadala jako konstitutivní funkce. První člen rodiny by se tedy ukázal jako kyslíkový enzym. Vybral 36 z nich, jejichž evoluční historii lze s jistotou dohledat. „Samozřejmě to nebylo zdaleka jednoduché,“ říká Tawfik. “U některých organismů mohou být geny ztraceny, což vyvolává dojem, že se později vyvinuly u členů, ke kterým byly připojeny.” A mikroorganismy sdílejí geny horizontálně, degradují fylogenetické stromy a nadhodnocují stáří enzymu. Zejména jsme museli opravit ten druhý. “

Fylogenetické stromy, které vědci nakonec získali, prokázali explozi vývoje enzymů na bázi kyslíku asi před 3 miliardami let, nebo půl miliardy let před GOE. Při podrobnějším zkoumání tohoto časového období vědci zjistili, že místo toho, aby se shodovala se zachycením atmosférického kyslíku, byla tato exploze datována do doby, kdy bakterie opustily oceány a začaly kolonizovat zemi. Několik enzymů, které používají kyslík, lze vysledovat zpět dále. Pokud by se použití kyslíku shodovalo s GOE, enzymy, které jej používaly, by se vyvinuly později, takže nálezy podporovaly scénář, ve kterém je kyslík již znám u mnoha forem života, dokud nedojde k GOE.

Odpad jednoho mikroorganismu je potenciálním zdrojem života druhého.

Scénář navržený Jabłońskou a Tawfikem vypadá takto: Kyslík je jedním z chemicky nejvíce reaktivních prvků. Jako jeden konec baterie snadno přijímá elektrony, čímž poskytuje extra metabolickou energii. Díky tomu je nesmírně výhodné pro mnoho forem života, ale je také potenciálně škodlivé. Z tohoto důvodu musely fotosyntetické organismy a další organismy žijící v jejich prostředí rychle vyvinout způsoby, jak efektivně vylučovat kyslík. To vysvětlí vznik enzymů využívajících kyslík, které extrahují molekulární kyslík z buněk. Odpad jednoho mikroorganismu je však potenciálním zdrojem života druhého. Jedinečná reaktivita kyslíku umožnila organismům rozkládat se a využívat „rezistentní“ molekuly, jako jsou aromatické látky a lipidy, takže se pravděpodobně brzy začaly vyvíjet enzymy, které přijímají a využívají kyslík.

Tawfik: „To potvrzuje hypotézu, že kyslík vznikl a přežil v biosféře dlouho před GOE. Dosažení vyšší úrovně GOE zabralo nějaký čas, ale do té doby byl kyslík v biosféře široce známý. “

Jabłońska: „Náš výzkum nabízí zcela nový způsob datování generováním kyslíku a poskytuje metodu, která nám pomáhá pochopit, jak se život vyvinul, jak ho známe nyní.“

Odkaz: Jagoda Jabłońska a Dan S. Tawfik, 25. února 2021, „Vývoj enzymů využívajících kyslík ukazuje časné okysličení biosféry“ Ekologie a evoluce přírody.
DOI: 10.1038 / s41559-020-01386-9

Prof. Výzkum Dana Tawfika je podporován Zuckerman STEM Leadership Program. Prof. Profesorskou židli mají na starosti Tawfik, Nella a Leon Benoziyo.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.