Cât de „minunat” a fost marele eveniment de oxigenare? Enzima „pedigree” arată când organismele au folosit pentru prima dată oxigenul

Zăcămintele de fier în bandă ca aceasta conțin dovezi ale marelui eveniment de oxigenare. Credit foto: Institutul de Științe Weizmann

O privire asupra evoluției enzimei sugerează că viața a aflat cum să folosească oxigenul cu mult înainte de evenimentul principal.

Cu aproximativ 2,5 miliarde de ani în urmă, planeta noastră a cunoscut probabil cea mai mare schimbare din istoria sa: Conform înregistrărilor geologice, oxigenul molecular nu mai exista brusc și era disponibil gratuit peste tot. Indicațiile „Marelui eveniment de oxigenare” (GOE) sunt vizibile în mod clar în formațiunile de fier bandate care conțin fier oxidat. GOE a făcut posibil, desigur, că organismele care consumă oxigen – măștile respiratorii – și, în cele din urmă, noi înșine ne putem dezvolta. Dar a fost într-adevăr un „mare eveniment” în sensul că schimbarea a fost radicală și bruscă sau organismele care trăiau la acel moment trăiau deja oxigen liber, doar la niveluri mai mici?

Prof. Dan Tawfik de la Departamentul de Științe Biomoleculare de la Institutul de Științe Weizmann explică faptul că datarea GOE este incontestabilă, la fel și faptul că oxigenul molecular a fost produs de microorganisme fotosintetice. Din punct de vedere chimic, energia din lumină împarte apa în protoni (ioni de hidrogen) și oxigen. Electronii generați în acest proces au fost folosiți pentru a forma depozite de energie (zahăr), iar oxigenul, un produs secundar, a fost inițial eliberat în mediu.

Dan Tawfik și Jagoda Jabłońska

Prof. Prof. Dan Tawfik și Jagoda Jabłońska. Credit foto: Institutul de Științe Weizmann

Întrebarea la care nu s-a răspuns, totuși, este: producția de oxigen a fost de acord cu GOE sau organismele vii au avut acces la oxigen înainte de acest eveniment? O parte a acestei dezbateri este că oxigenul molecular nu ar fi fost disponibil înainte de GOE, deoarece chimia atmosferei și a oceanelor înainte de acel moment ar fi asigurat că oxigenul eliberat prin fotosinteză ar fi reacționat imediat chimic. O a doua latură a dezbaterii, totuși, sugerează că o parte din oxigenul produs de microorganismele fotosintetice ar fi putut rămâne suficient timp liber pentru ca organismele ne-fotosintetice să-l ridice pentru propria lor utilizare înainte de GOE. Mai multe presupuneri între cele două au sugerat „oaze” sau „valuri” de scurtă durată de aprovizionare cu oxigen atmosferic.

Studentul de cercetare Jagoda Jabłońska din grupul lui Tawfik a considerat că concentrarea grupului – dezvoltarea proteinelor – ar putea ajuta la rezolvarea problemei. Acestea fiind spuse, ea și Tawfik ar putea folosi metode pentru a urmări evoluția diferitelor proteine ​​pentru a afla când organismele vii au început să proceseze oxigenul. Astfel de arbori filogenetici sunt folosiți pe scară largă pentru a dezlega istoria speciilor sau a familiilor umane, dar și a familiilor de proteine, iar Jabłońska a adoptat o abordare similară pentru a descoperi evoluția enzimelor pe bază de oxigen.

Pedigree enzimatic

O „pedigree” enzimatică a dezvăluit când organismele au început să utilizeze oxigen. Credit foto: Institutul de Științe Weizmann

La începutul studiului, Jabłońska a sortat aproximativ 130 de familii de enzime cunoscute care produc sau folosesc oxigen în bacterii și arhee – tipurile de forme de viață care ar fi existat în epoca arheană (timpul dintre crearea vieții, aproximativ 4 miliarde acum ani și GOE). Dintre acestea, ea a selectat aproximativ jumătate din cazurile în care majoritatea sau toți membrii familiei s-au dovedit a avea activități care consumă oxigen sau emit activități care păreau a fi funcția fondatoare. Adică, primul membru al familiei ar fi apărut ca o enzimă de oxigen. Dintre acestea a selectat 36 a căror istorie evolutivă ar putea fi urmărită concludent. „Bineînțeles că nu a fost ușor”, spune Tawfik. „În unele organisme, genele pot fi pierdute, ceea ce dă impresia că au evoluat ulterior în membrii la care erau agățați. Iar microorganismele împart genele pe orizontală, ceea ce încurcă arborii filogenetici și supraestimează vârsta enzimei. Mai presus de toate, a trebuit să-l corectăm pe acesta din urmă. “

Arborii filogenetici pe care cercetătorii i-au primit în cele din urmă au arătat un focar de evoluție a enzimei pe bază de oxigen în urmă cu aproximativ 3 miliarde de ani – cu aproximativ jumătate de miliard de ani înainte de GOE. La o investigație ulterioară a acestui interval de timp, oamenii de știință au descoperit că acest focar nu coincide cu preluarea oxigenului atmosferic, ci mai degrabă datează momentul în care bacteriile au părăsit oceanele și au început să colonizeze țara. Unele enzime care consumă oxigen ar putea fi urmărite în continuare. Dacă consumul de oxigen ar fi coincis cu GOE, enzimele care îl utilizează ar fi evoluat mai târziu, astfel încât rezultatele au susținut scenariul în care oxigenul era deja cunoscut de multe forme de viață la momentul GOE.

Deșeurile unui microorganism sunt sursa potențială de viață pentru altul.

Scenariul propus de Jabłońska și Tawfik arată cam așa: Oxigenul este unul dintre cele mai reactive elemente chimice dintre toate. La fel ca la sfârșitul unei baterii, aceasta absoarbe cu ușurință electronii și asigură astfel o ieșire metabolică suplimentară. Acest lucru îl face extrem de util pentru multe forme de viață, dar și potențial dăunător. Drept urmare, organismele fotosintetice, precum și alte organisme care trăiesc în vecinătatea lor, au trebuit să dezvolte rapid modalități de eliminare eficientă a oxigenului. Acest lucru ar explica crearea de enzime care utilizează oxigen, care ar elimina oxigenul molecular din celule. Cu toate acestea, risipa unui microorganism este sursa potențială de viață pentru altul. Reactivitatea unică a oxigenului a permis organismelor să se descompună și să utilizeze molecule „elastice”, cum ar fi aromatele și lipidele, astfel încât enzimele care absorb și folosesc oxigenul au început probabil să evolueze la scurt timp.

Tawfik: „Aceasta confirmă ipoteza că oxigenul a apărut în biosferă cu mult înainte de GOE și rămâne acolo. A fost nevoie de ceva timp pentru a atinge nivelurile mai ridicate de GOE, dar până atunci oxigenul era bine cunoscut în biosferă. “

Jabłońska: „Cercetările noastre reprezintă un mijloc complet nou de datare a formării oxigenului care ne ajută să înțelegem cum a evoluat viața așa cum o cunoaștem”.

Referință: „Dezvoltarea enzimelor care consumă oxigen indică o alimentare timpurie cu oxigen a biosferei” de către Jagoda Jabłońska și Dan S. Tawfik, 25 februarie 2021, Ecologie naturală și evoluție.
DOI: 10.1038 / s41559-020-01386-9

Cercetarea prof. Dan Tawfik este susținută de Programul de conducere STEM Zuckerman. Prof. Tawfik este titularul catedrei profesionale Nella și Leon Benoziyo.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.