Međunarodni tim znanstvenika, u čijem je radu sudjelovala i hrvatska molekularna biologinja na doktorskom studiju u Njemačkoj, uspio je dešifrirati genetski kod zajedničkog pretka svih danas živih organizama te na temelju njega stvoriti iznenađujuće precizan profil tog drevnog stvorenja i njegovog izvornog staništa.

Posljednji zajednički predak svih živih bića bio je nalik na primitivne bakterije i arheje, a dobio je ime LUCA (Last Universal Common Ancestor, što znači posljednji univerzalni zajednički predak). Živio je prije oko četiri milijarde godina, dakle, kada je zemlja bila stara tek 560 milijuna godina.

Novo otkriće, ostvareno pod vodstvom Williama F. Martina sa Sveučilišta Heinrich Heine u Düsseldorfu, objavljeno u prestižnom znanstvenom časopisu Nature Microbiology, predstavlja važan doprinos u raspravi o mogućim uvjetima, odnosno o okolišu u kojem su na Zemlji nastali prvi organizmi.

Znanstvenici već dugi niz godina pokušavaju pronaći zajedničke pretke triju velikih domena na koje se dijele sva živa bića – jednostanične bakterije i arheje koje su vjerojatno nastale ranije, te složeniji eukarioti koji su vjerojatno nastali kasnije.

Neki znanstvenici, među kojima je svojevremeno bio i Charles Darwin, zastupaju hipotezu prema kojoj su prvi organizmi nastali u malenim, toplim, plitkim lokvama na kopnu. Prema drugima, život je mogao nastati u dubokim termalnim vulkanskim otvorima na dnu oceana.

U novom znanstvenom radu naša molekularna biologinja Natalia Mrnjavac i njezini kolege krenuli su od poznatih gena bakterija i arheja koji služe za kodiranje proteina. U znanstvenim bazama DNK u posljednja dva desetljeća prikupljeno je oko šest milijuna takvih gena.

Geni koji obavljaju iste funkcije kod ljudi i kod miševa obično potječu od nekog zajedničkog gena predaka koji su postojali kod prvih sisavaca. Pomoću usporedbe kodova sastavljenih od četiri slova – A, C, G i T, odnosno od četiri baze koje se njima označavaju (adenin, citozin, guanin i timin), geni se mogu svrstati u evolucijska obiteljska stabla. Na taj način se 6,1 milijuna gena svodi na mnogo manji broj obitelji čiji se trag može pratiti daleko u prošlost. Između 286.514 proteinskih skupina tim iz Düsseldorfa identificirao je 355 proteinskih obitelji koje su zadovoljavale kriterije koji su vodili do prvog organizma LUCA.

Svojstva ovih gena i njihove funkcije pokazali su da je LUCA morao biti anaeroban organizam, odnosno da nije izravno koristio izravno kisik, da je prerađivao ugljični dioksid i dušik, da je ovisio o vodiku kao izvoru energije te da je bio termofilan, odnosno da mu je odgovarao vruć okoliš. Naime, među genima koje je morao imati LUCA otkriveni su neki koji su važni za metabolizam koji pokreće vodik kao i enzim koji imaju samo mikroorganizmi koji žive na ekstremno visokim temperaturama.

Ova, kao i još neka druga svojstva, pokazala su vrlo precizno da je LUCA živio u vrućim vodama termalnih otvora na dnu oceana bogatim plinovima i metalima.

Novija podmorska istraživanja pokazala su da termalni vulkanski otvori obiluju egzotičnim oblicima života među kojima i ekstremofilnim bakterijama. Brojni stručnjaci danas smatraju da su prvi živi organizmi mogli nastati upravo ondje.

Golem odjek u medijima

Naša znanstvenica kaže da je njihovo istraživanje pobudilo neočekivano veliki interes. Rad je dosad popratilo 70-ak svjetskih medija među kojima i BBC i New York Times.

‘Naše istraživanje temeljeno je isključivo na računalnim metodama. Velik broj genoma najrazličitijih organizama se sekvencira svakodnevno, a biolozi na temelju njih pokušavaju ispričati neku priču. Genomi današnjih organizama su najbolja osnova za istraživanja rane evolucije života na Zemlji’, rekla je Mrnjavac za Index.

‘Mi smo u ovom istraživanju koristili sve postojeće očitane genome bakterija i arheja, jer je njihov zajednički predak ujedno i zajednički predak svih živih bića. Za sve dobivene proteinske obitelji izgradili smo tzv. filogenetska stabla, koja nam prikazuju evolucijski odnos srodnih proteina iz različitih organizama koji su grupirani u određenu proteinsku obitelj. Ako određena proteinska obitelj sadrži proteine iz bakterija i arheja, ona je potencijalno bila prisutna i u njihovom zajedničkom pretku, odnosno u LUCA-i. Međutim, u dosadašnjim istraživanjima jedan od problema bio je kako razlikovati gene koji su bili prisutni u LUCA-i i nasljeđivani unutar bakterijske i arhejske domene, od onih koji su nastali nekad kasnije u bakterijama, da bi u jednom trenutku bili preneseni u arheje, ili obrnuto. U oba slučaja ti će se geni nalaziti i u bakterijama i u arhejama, ali samo u prvom slučaju ti geni su bili prisutni i u njihovom zajedničkom pretku. Mi smo uz nekoliko kriterija uspjeli izbaciti gene koji su bili preneseni među domenama, što nam je omogućilo da dobijemo popis od 355 proteinskih obitelji koje su bile nasljeđivane vertikalno zadnjih otprilike 4 milijarde godina u arhejama i bakterijama, sa stanica predaka na stanice potomke, sve od vremena posljednjeg zajedničkog pretka’, pojasnila je naša mlada znanstvenica.

U reakcijama na novo otkriće neki su znanstvenici istaknuli mogućnost da LUCA ne mora nužno biti model izvornog pretka. Primjerice, najraniji peci iz kojih su se razvili organizmi koji danas nastanjuju Zemlju mogli su nastati u nekim drugim staništima, možda u lokvicama na kopnu, da bi kasnije bili preneseni i nastavili razvoj u oceanima. U prilog toj ideji neki ističu činjenicu da su istraživanja pokazala kako je za razvoj složenih organskih molekula od ključnog značaja bilo djelovanje ultraljubičastog zračenja kakvo ne prodire u dubine mora.

Mrnjavac kaže da danas postoje brojne teorije o porijeklu života na Zemlji te da je to područje do određene mjere spekulativno jer je za sada nemoguće dobiti čvrsti dokaz za bilo koju od njih.

‘No poznata teorija ‘prajuhe’ davno je prevaziđena, uvelike zbog tzv. koncentracijskog problema. To znači da se u morskoj vodi dvije ili više molekula ne bi moglo sresti jer je medij jednostavno previše razrijeđen. Tu je i problem termodinamičke ravnoteže takvog sustava, u kojem nema poticaja za daljnje kemijske reakcije. Pitanje koje se nameće jest gdje na Zemlji vladaju takvi uvjeti u kojima bi bitne kemijske reakcije bile povoljne, a molekule bi se mogle koncentrirati? Termalni izvori, bilo na kopnu ili ispod površine mora, čine se kao dobri kandidati. Da bi život nastao bilo je potrebno i da okoliš bude relativno stabilan tijekom dovoljno dugog razdoblja. Alkalni dubokomorski hidrotermalni izvori po mnogim se značajkama čine kao najvjerojatniji okoliš za nastanak života. Ondje geološkim procesima nastaju strukture od željezova sulfida nalik pčelinjim sačama koje su mogle imati funkciju odjeljivanja i katalize (ubrzanja kemijskih reakcija, bez čega je život danas nemoguć), a generira se i prirodni gradijent vodikovih iona koji je pokretačka sila za dobivanje energije u današnjim stanicama. Današnje stanice same stvaraju taj gradijent, a tzv. prve stanice vjerojatno su mogle koristiti prirodni gradijent i tako dobivati energiju za život. Prvi organski spojevi mogli su se sintetizirati iz anorganskih, a mnogi timovi istražuju mehanizme mogućih reakcija u različitim uvjetima rane Zemlje. Nađeni su i različiti organski spojevi na meteoritima. Postoje teorije da je život nastao u svemiru, pa meteoritima došao na Zemlju. Ja ne bih išla toliko daleko, ali je sigurno da su određeni spojevi mogli biti doneseni iz svemira. Ovo istraživanje omogućilo nam je uvid kao nikada do sada u uvjete u kojima je LUCA živjela. Na temelju njezinih proteina, metaboličkih putova, katalitičkih kofaktora i kemijskih otisaka vidimo da je posljednji zajednički predak živio od plinova – vodika, ugljičnog dioksida i dušika, u okolišu bogatom prijelaznim metalima i metilnim skupinama. Ne samo da se taj pronalazak dobro slaže sa spoznajama o uvjetima u dubokomorskim hidrotermalnim izvorima, nego su i mikroorganizmi koji danas tamo žive slični LUCA-i po svojoj biologiji i biokemiji, a to su ujedno i najstarije arheje i bakterije, što znamo jer se pojavljuju najbliže korijenu u našim filogenetskim stablima’, pojasnila je Mrnjavac za Index istaknuvši da je postojanje različitih teorija pozitivno jer potiče propitivanje.

‘No, teorije koje se protive kemijskim ili fizikalnim zakonitostima i dosadašnjim spoznajama iz drugih prirodnih znanosti treba što prije odbaciti. A to u znanosti zna ići jako sporo, pa tako i u ovom području’, upozorila je.

Želi se vratiti, po mogućnosti u ‘bolju’ Hrvatsku

Naša perspektivna znanstvenica kaže da se planira vratiti u Hrvatsku no ističe da se nada da će se do tada u zemlji možda napokon dogoditi neki pozitivni iskoraci – i što se tiče znanosti, ali i što se tiče nekih drugih stvari.

‘Pri tom mislim i na financiranje i organizaciju znanosti i na to da bi u znanstvenom istraživanju svoje mjesto trebali moći naći sposobni i motivirani ljudi koji to vole, žele i mogu. Takve ljude netko bi trebao prepoznati, bili oni u Hrvatskoj ili u inozemstvu, bili Hrvati ili državljani neke druge zemlje, te im omogućiti i dopustiti da grade tu često spominjanu bolju Hrvatsku. Naravno, znanost je samo dio slagalice’, kaže Mrnjavac.

Kratka biografija

Natalia Mrnjavac rođena je u Rijeci. Studirala je molekularnu biologiju na PMF-u u Zagrebu, a diplomirala je 2015. Dobila je nagradu PMF-a za najboljeg studenta diplomskog studija molekularne biologije. Istraživanje za diplomski rad radila je iz područja računalne biofizike. Iste godine primljena je na doktorat u grupu prof. dr. Billa Martina na Sveučilištu u Düsseldorfu. Trenutno je još uvijek na prvoj godini doktorata, no već je prezentirala rezultate na dva međunarodna znanstvena skupa. Najviše je zanimaju znanstvena pitanja porijekla života i rane biokemijske evolucije, a strast su joj i biokemija i biofizika. Druga velika ljubav i hobi su joj zoologija i biologija mora.

Index.hr/ZDanas