Η πηγή της ζωής στις… Θερμοπύλες!

Κοινό χαρακτηριστικό όλων των έμβιων οργανισμών είναι ο μεταβολισμός, δηλαδή το σύνολο των βιοχημικών αντιδράσεων που οδηγούν στην παραγωγή και την απελευθέρωση ενέργειας. Οι διαδικασίες αυτές αφορούν είτε διάσπαση πολύπλοκων ουσιών σε απλούστερες, με παράλληλη συνήθως απόδοση ενέργειας (καταβολισμός), ή σύνθεση πολύπλοκων χημικών ουσιών με απορρόφηση ενέργειας (αναβολισμός). Και όπως μας λέει η Wikipedia, «κάθε στάδιο της μεταβολικής οδού καταλύεται από διαφορετικό κάθε φορά ένζυμο, η δομή του οποίου φέρεται να κωδικοποιείται από συγκεκριμένο γονίδιο. Το δε τελικό προϊόν κάθε τέτοιας διαδικασίας ονομάζεται μεταβολίτης».

Το 1937, ο γερμανός βιοχημικός Χανς Κρεμπς (Hans Adolf Krebs) απέδειξε ότι το τελικό στάδιο αποδόμησης των υδατανθράκων, των λιπών και των αμινοξέων που προσλαμβάνονται με τη διατροφή επιτελείται από μια αλυσίδα ενζυματικών δράσεων, τον λεγόμενο «Κύκλο του κιτρικού οξέος» (TCA) ή «Κύκλο του Κρεμπς» όπως ονομάστηκε αργότερα προς τιμήν του. Ο κύκλος αυτός είναι υπεύθυνος για σημαντικό μέρος της αερόβιας αναπνοής και διεκπεραιώνει περίπου τα δύο τρίτα όλων των οξειδώσεων των ενώσεων του άνθρακα μέσω ενζύμων που βρίσκονται στα μιτοχόνδρια των κυττάρων.

Οι ορισμοί αυτοί είναι απαραίτητοι για να καταλάβουμε στη συνέχεια το μυστήριο που τυλίγει την εμφάνιση ζωής στη Γη. Τα πρώτα δείγματά της έχουν ηλικία τουλάχιστον 3,4 δισεκατομμυρίων χρόνων, όση είναι η ηλικία των αρχαιότερων απολιθωμάτων έμβιων οργανισμών που έχουμε βρει στη Δυτική Αυστραλία. Αυτά όμως τα προπατορικά απολιθώματα της ζωής έχουν δομή βασιζόμενη στο πυρίτιο, σε αντίθεση με τη δομή των τωρινών έμβιων οργανισμών που βασίζεται στον σίδηρο. Πράγμα που, τελικά, σημαίνει ότι υπήρχε κάποτε και Κύκλος του Κρεμπς χωρίς ένζυμα. Αλλά πώς θα ήταν κάτι τέτοιο δυνατόν;

Η κυρίαρχη εικασία των βιολόγων για το βιογραφικό του Κύκλου του Κρεμπς ήταν ως τώρα ότι η συνταγή εκκίνησής του γράφτηκε εξελικτικά, με τις αργές διαδικασίες της δαρβινικής επιλογής, από το ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA) των πρώτων οργανισμών. Οτι, δηλαδή, η διαδικασία του μεταβολισμού ήταν κατοπινό απόκτημα των απογόνων των πρώτων οργανισμών. Κάτι τέτοιο όμως δεν εξηγεί την ύπαρξη πολύπλοκων ενζύμων στους πρώτους οργανισμούς που έχουμε βρει. Αφού τα ένζυμα συντίθενται από μεταβολικά προϊόντα του Κύκλου του Κρεμπς, τότε πώς προϋπήρχαν εκείνου;

Σε αυτό το πρόβλημα του τύπου «Ποιος ήταν πρώτος; Η κότα ή το αβγό;», κάποιοι τόλμησαν να ψελλίσουν στην αρχή του αιώνα ότι πιθανότατα οι πρώτες και κύριες μεταβολικές αντιδράσεις προήλθαν από τη χημεία του περιβάλλοντος, μέσω ανόργανης κατάλυσης (βλ. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10859347). Επακολούθησε θύελλα αντιδράσεων από τους θιασώτες της σχολής του RNA, με λόγια όπως «επικαλούνται μαγεία». Οι τόνοι άρχισαν να πέφτουν μόνο το 2006, όταν αναπαράχθηκαν τμήματα του Κύκλου του Κρεμπς με φωτοχημικές αντιδράσεις σε ορυκτά (βλ. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja066103k). Αλλά για να αποστομωθούν πλήρως «οι φωνές της συντήρησης» έπρεπε να τους δοθεί η απάντηση με την εύρεση του ανόργανου καταλύτη που θα μπορούσε να είχε πυροδοτήσει όλη την ιστορία του μεταβολισμού των εμβίων. Κανείς όμως δεν μπορούσε να τον εντοπίσει.

Το 2014, ένας φοιτητής του καθηγητή Βιοχημείας στο Κέιμπριτζ, Μάρκους Ράλσερ, έβαλε κατά λάθος ένα ανόργανο υλικό στο φασματόμετρο μάζας του εργαστηρίου τους και, τότε, ο καθηγητής διέκρινε σε αυτό μία κουκκίδα πυροσταφυλικού οξέος. Το μόριο του πυροσταφυλικού οξέος αποτελείται από τρία άτομα άνθρακα και σχηματίζεται από τη γλυκόζη και τη γλυκερόλη κατά τη βιοχημική διεργασία της γλυκόλυσης. Το οξύ αυτό διασπάται και, ανάλογα με το αν υπάρχει ή όχι οξυγόνο, δίνει στα κύτταρα την αερόβια ή αναερόβια αναπνοή τους. Εκπληκτος ο Ράλσερ αναρωτήθηκε αν με τον ίδιο τρόπο εμφανίσθηκε το βασικό αυτό συστατικό του μεταβολισμού και στον πρωταρχικό ωκεανό που κάλυπτε τον πλανήτη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια, χωρίς οξυγόνο και χωρίς φωτοσύνθεση. Επισκέφθηκε σχεδόν όλους τους ερευνητές ανά τον κόσμο που προσπαθούσαν να ανασυστήσουν τη χημεία εκείνου του ωκεανού και, έπειτα από πολλά πειράματα, πείσθηκαν και πείσθηκε ότι όντως το πυροσταφυλικό οξύ μπορούσε να προκύψει από τη δράση μεταλλικών ιόντων του πρωταρχικού ωκεανού. Δεν πείσθηκαν όμως οι «συντηρητικοί»: Η γλυκόζη –είπαν –είναι απίθανο να υπήρχε σε εκείνον των πρωταρχικό ωκεανό της Γης. Αρα, πόθεν;

Ο Ράσλερ δεν μπόρεσε να τους δώσει άμεσα απάντηση αλλά η εύρεση κιτρικού και πυροσταφυλικού οξέος σε μετεωρίτες το 2011 (www.pnas.org/content/108/34/14015.abstract) τον έκανε να σκεφθεί ότι έπρεπε να αναζητήσει ανόργανο καταλύτη όχι για τη γλυκόζη αλλά για αυτές τις βασικές ουσίες του Κύκλου του Κρεμπς που αναντίρρητα θα υπήρχαν στην αρχή της ζωής. Αρχισε λοιπόν να εκθέτει τις χημικές ενώσεις του Κύκλου του Κρεμπς σε κάθε χημική ουσία που γνωρίζουμε ότι υπήρχε και στον πρωταρχικό ωκεανό. Δεν εύρισκε τίποτε μέχρι την ημέρα που τις έφερε σε επαφή με υπεροξυδιθειικό αμμώνιο, μία κλασική πηγή θειικών ριζών. Αμέσως προέκυψε μια διαδοχή 24 χημικών αντιδράσεων που ήταν όλες από παρόμοιες έως ταυτόσημες με τις αντιδράσεις που έχουμε στον τωρινό Κύκλο του Κρεμπς. Και όλα αυτά υπό την παρουσία του ίδιου μοριακού ανόργανου καταλύτη!

Στην εργασία, λοιπόν, που δημοσίευσε στις 13 Μαρτίου στο περιοδικό Nature-Ecology & Evolution (βλ. https://go.nature.com/2mVriLg), η ομάδα του Ράσλερ (απαρτιζόμενη από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ και του Ιατρικού Πανεπιστημίου του Ινσπρουκ) «ξεστόμισε το ανείπωτο»: ότι ο μεταβολισμός μας είναι απόγονος ενός μη ενζυματικού Κύκλου του Κρεμπς που τον είχαν στήσει οι ανόργανες θειικές ρίζες. Ναι, οι ίδιες ρίζες που καταφέρνουν να κάνουν τις θερμές πηγές να μυρίζουν κλούβιο αβγό είναι –κατά το πόρισμά τους –οι πρωταίτιες της ζωής στη Γη. Υποχθόνια γεννήματα ηφαιστείων δηλαδή… γαία πυρί μιχθήτω και τα τοιαύτα.

ΥΓ.: Για όσους θέλουν να εμβαθύνουν, προτείνω το

https://natureecoevocommunity.nature.com/posts/15090-on-the-hunt-for-the-non-enzymatic-krebs-cycle.