Sciencemag.cz
Doporučujeme
LUCA /poslední společný předek všech současných organismů/ s největší pravděpodobností disponovala bílkovinami a DNA: používala už univerzální genetický kód a DNA se po přečtení přepisovala do RNA, která se následně překládala do bílkovin na ribozomech, oněch ohromných molekulárních továrnách, jež sestavují bílkoviny ve všech známých buňkách. Pozoruhodné molekulární soukolí nutné ke čtení DNA a syntéze bílkovin se skládá asi z dvaceti bílkovin a molekul RNA společných bakteriím i archeím. Na základě jejich struktury a sekvencí se zdá, že se tyto stroje v evoluci rozrůznily velmi brzy a výměna genů horizontálním přenosem u nich nebyla příliš intenzivní. Zatím to vypadá dobře. Stejně tak jsou bakterie i archea chemiosmotické a syntézu ATP pohánějí protonovými gradienty napříč membránami. Dalším neobyčejným molekulárním strojem, který je srovnatelný se samotným ribozomem a patrně sdílí i jeho starobylost, je ATP syntáza. Ta je – podobně jako ribozom – univerzálně zakonzervovaná napříč veškerým životem, ale svou strukturou se u bakterií a archeí v několika detailech liší, což naznačuje, že se odlišila od své předchozí verze, kterou disponovala LUCA, aniž by poté proběhlo příliš mnoho zamlžujícího horizontálního genového přenosu. Zdá se tedy, že vedle ribozomů, DNA a RNA měla LUCA k dispozici i ATP syntázu. Kromě toho ještě existuje několik dílků základních metabolických pochodů, například biosyntéza aminokyselin a částí Krebsova cyklu, které u bakterií i archeí sdílejí společné dráhy, což opět naznačuje, že byly přítomny už u LUCA. Nicméně dál toho víme překvapivě málo.
A v čem se obě skupiny liší? V neuvěřitelném množství věcí. Odlišná je u bakterií a archeí většina enzymů používaných k replikaci DNA. Existuje ještě něco základnějšího?! Snad jedině membrány, nicméně i ty mají obě skupiny rozdílné. Totéž platí pro buněčnou stěnu. To znamená, že obě bariéry, které oddělují živé buňky od okolního prostředí, jsou u bakterií i archeí naprosto jiné. Je skoro nemožné přesně odhadnout, čím místo toho disponoval jejich společný předek. Seznam pokračuje, ale nám to bude stačit. Ze šesti fundamentálních procesů živých buněk diskutovaných v předešlé kapitole – tok uhlíku, tok energie, katalýza, replikace DNA, kompartmentalizace a vyměšování – jsou si hluboce podobné pouze první tři, a to navíc jen v určitých ohledech, jak ještě uvidíme.
Nabízí se několik možných vysvětlení. LUCA mohla mít od všeho dvě kopie a jednu kopii ztratit u bakterií, jednu u archeí. Zní to ze své podstaty praštěně, ale nelze to vyloučit. Například víme, že směs bakteriálních a archeálních lipidů vytváří stabilní membrány. Možná měla LUCA oba typy lipidů a její potomci se později specializovali tak, že jeden či druhý typ ztratili. Může to platit pro některé vlastnosti, ale nelze to vztahovat na všechny, jelikož pak narážíme na problém známý jako „rajský genom“. Kdyby LUCA měla všechno a její potomci genom později zeštíhlili, musela by začínat s obrovským genomem, mnohem větším, než jaký má jakýkoli moderní zástupce prokaryot. Osobně mi to připadá, jako zapřahat vůz před koně: složitost předchází jednoduchosti a každý problém potřebuje dvě řešení. Proč by koneckonců všichni potomci od všeho ztráceli jednu kopii? To by bylo divné. Podívejme se na druhou možnost.
Tou je, že LUCA byla naprosto normální bakterie s bakteriální membránou, bakteriální buněčnou stěnou a bakteriální replikací DNA. Někdy později jedna skupina potomků, první archea, všechny tyto znaky nahradila, když se adaptovala na extrémní podmínky, například vysoké teploty v horkých průduších. Jde o pravděpodobně nejobecněji přijímané vysvětlení, ale ani tak není příliš přesvědčivé. Pokud je pravdivé, proč jsou procesy transkripce DNA a translace RNA do bílkovin u bakterií a archeí tak podobné, přestože replikace DNA se výrazně liší? Proč, pokud archeální buněčné membrány a buněčné stěny archeím pomáhají přizpůsobit se hydrotermálnímu prostředí, by extremofilní bakterie žijící ve stejných průduších nenahradily vlastní membrány a stěny jejich archeálními verzemi nebo něčím podobným? Proč archea žijící v půdě nebo v otevřených oceánech nenahradila své membrány a stěny bakteriálními variantami? Přestože bakterie a archea sdílejí po celém světě stejná prostředí, zachovávají se ve všech těchto prostředích navzdory horizontálnímu genovému přenosu mezi oběma doménami z genetického i biochemického hlediska hluboké rozdíly. Není zkrátka věrohodné, že by všechny tyto zásadní odlišnosti mohly odrážet adaptaci na jedno extrémní prostředí, a přesto u archeí zůstat bez výjimky zafixované bez ohledu na to, jak nevhodné byly pro všechna ostatní prostředí.
Tím pádem nám zůstává jen poslední, dost nekonvenční možnost. Zdánlivý paradox žádným paradoxem není: LUCA skutečně byla chemiosmotická a měla ATP syntázu, ale opravdu nedisponovala moderní membránou ani žádným z velkých dýchacích komplexů, jimiž moderní buňky pumpují protony. Skutečně měla DNA, univerzální genetický kód, transkripci, translaci a ribozomy, ale opravdu se u ní nevyvinula moderní metoda replikace DNA. Tato zvláštní, tajemná buňka nedává v otevřeném oceánu žádný smysl, ale začne ho dávat, když o ní uvažujeme v prostředí zásaditých hydrotermálních průduchů.
Tento text je úryvkem z knihy:
Nick Lane: Záhada života. Proč je takový, jaký je?
Argo a Dokořán 2022
O knize na stránkách vydavatele
