Tým vědců publikoval v časopise Science novou strategii, která umožňuje proniknout za hranice posledního univerzálního předka všeho živého – LUCA. Pomocí analýzy tzv. paralogních genů nyní mohou vědci rekonstruovat rysy života, jaký existoval ještě před vznikem dnešních buněčných organismů.
Jak vznikl život? To je bezpochyby jedna z velkých otázek vědy, na kterou se v průběhu staletí vyrojily řeky inkoustu. Abychom na ni mohli odpovědět, budeme muset odhalit nejniternější fungování biochemie v onom primitivním světě, možná před 4,3 miliardy let. Nebude to snadný úkol, a přestože poslední roky přinesly v této oblasti pokrok, existuje doplňková strategie, která nám může pomoci pochopit ony rané kapitoly: sledování rodokmenu života.
Tato technika nám pomohla objevit posledního společného předka, kterého sdílejí všechny formy života na Zemi, od tygrů po bakterie. To však byl limit, protože jsme se nemohli vrátit k předkům tohoto předka, kterého jsme pojmenovali LUCA (Last Universal Common Ancestor) a který žil asi před 4,2 miliardy let, kdy byl život starý sotva 100 milionů let. Nebo jsme si to alespoň mysleli, protože nový výzkum publikovaný v časopise Science zřejmě našel strategii, jak zjistit, co bylo před LUCA, nebo alespoň některé charakteristiky těchto dávných forem života.
Před kmenem
Abychom pochopili problém, musíme se nejprve zabývat tím, jak mohou vědci vysledovat generaci za generací právě z živých tvorů, které obývají dnešní svět. Klíč spočívá v genetice a disciplíně zvané fylogeneze, která rekonstruuje evoluční stromy porovnáváním sekvencí DNA a proteinů.
Představte si, že vezmete dva sourozence, kteří mají společnou matku. Porovnáme-li jejich DNA, zjistíme obrovskou podobnost, ale také určité rozdíly. To, co mají společné, zdědí po své matce, a proto nám pomůže zjistit, jaká byla jejich DNA, a tedy jaká byla ona. Pokud nyní do studie zahrnu jejich bratrance a sestřenice, budu moci zjistit, kolik toho mají společného, a budu tedy vědět, že DNA, kterou sdílejí, pravděpodobně zdědili od stejného příbuzného, jejich posledního společného předka, tedy: od jednoho ze dvou prarodičů, které mají společné.
U mnoha lidí můžeme poměrně přesně rekonstruovat, jaká byla DNA prarodičů, praprarodičů atd. V evoluční biologii děláme něco podobného, ale ve velkém: místo několika lidí porovnáváme tisíce genomů bakterií, archeí, živočichů, rostlin, hub… a hledáme geny, které se s obměnami zachovaly u všech. Tyto „univerzální“ geny jsou vodítkem, které nám umožní odvodit, jaký byl genom LUCA.
Ale… jak bychom mohli rekonstruovat jeho pradědečka? Díky těmto bratrancům můžeme pouze vědět, jak vypadal dědeček, a i když víme, že většina jeho DNA pochází od pradědečka, nemůžeme si být jisti, kolik z ní pochází od pradědečka. Musíme do studie zapojit další příbuzné, ale už začínáme vidět problém: s touto strategií nemůžeme jít dál než k poslednímu příbuznému, který sdílí náš vzorek.
Co když náš rodokmen začínal dříve, co když větve prvních Garciů nedosáhly až do současnosti? Možná jsou všichni dnes žijící Garciové ve skutečnosti potomky šesté nebo osmé generace, která přežila staletí, a to vždy s několika zdravými potomky. Totéž platí o LUCA: téměř s jistotou můžeme říci, že život existoval i dříve, a pokud můžeme z genetiky usuzovat, žádná z těchto forem života se nedožila 21. století – samozřejmě s výjimkou větve LUCA.
Tento detail je důležitý: LUCA nebyla „první buňkou“ ani „vznikem života“, ale posledním bodem v minulosti, k němuž se můžeme dostat sledováním pouze větví, které zanechaly potomky až do dnešních dnů. Před LUCA existovaly jiné linie, možná mnohé, které zanikly, aniž by zanechaly přímou stopu v dnešních organismech.
Co již o LUCA víme
V posledních dvou desetiletích se několik skupin pokusilo rekonstruovat „robotický portrét“ LUCA porovnáním univerzálních genů. Výsledky naznačují, že LUCA byl již z biochemického hlediska složitý buněčný organismus, nikoliv jen jediná molekula ztracená v primitivní louži.
Mezi vlastnosti, které jí byly přisouzeny na základě genů sdílených dnešními bakteriemi a archei, patří např:
- Měla DNA jako svůj genetický materiál a poměrně sofistikovaný replikační systém.
- Používala standardní genetický kód (stejný, jaký dnes používají téměř všechny živé organismy k překladu tripletů nukleotidů na aminokyseliny).
- Měl ribozomy a zařízení pro syntézu proteinů z messengerové RNA.
- Měl buněčnou membránu, která oddělovala jeho vnitřek od vnějšku.
- Pravděpodobně žila v prostředí bohatém na vodík a oxid uhličitý, možná podobném podmořským hydrotermálním průduchům, a energii získávala z chemických reakcí mezi těmito sloučeninami.
To vše vyplývá ze studií „srovnávací genomiky“, které se snaží rekonstruovat minimální soubor genů přítomných u společného předka bakterií a archeí, dvou velkých domén mikrobiálního života. Ale i tyto studie narážejí na zeď: za hranicí LUCA se genetický signál rozředí.
Nedokonalý kopírovač
Může se zdát, že jsme se ocitli ve slepé uličce a musíme se smířit s našimi limity, ale skupina vědců z MIT(Massachusetts Institute of Technology), University of Wisconsin-Madison a Oberlin College má plán, jak se podívat za hranice LUCA. Ve svém článku navrhují, že klíč k odhalení toho, co předcházelo poslední společné větvi našeho „rodokmenu“, leží také v genech současných organismů, konkrétně v typu známém jako „paralogní geny“.
Není snadné definovat, co je to gen, ale když na chvíli upustíme od přísnosti, můžeme si je představit jako fragmenty DNA, které obsahují kompletní instrukce k něčemu, buď k výrobě molekuly, nebo k regulaci exprese jiného fragmentu DNA. Nyní se DNA generaci za generací duplikuje, aby vznikly nové buňky, a přitom se kopírují geny. V případě člověka jde o dvě desítky tisíc genů a jako každý kopírovač se i naše biochemie občas splete.
Někdy je stejný gen zděděn duplicitně od jednoho ze dvou rodičů, někdy se při jeho „zápisu“ udělají drobné chyby, a obojí je v pořádku, protože právě variabilita umožňuje evoluci: aby existovala rozmanitost, aby ti nejlépe přizpůsobení mohli prosperovat v jakýchkoli podmínkách prostředí.
Když se gen duplikuje, najednou existují dvě kopie tam, kde předtím byla jen jedna. Jedna kopie může pokračovat v původní práci, zatímco druhá je „uvolněna“ pro hromadění změn. Časem se tato kopie může specializovat na novou nebo trochu jinou funkci. Takové odlišné kopie téhož genu v rámci genomu se nazývají paralogní geny.
Jednoduchý příklad: v našem těle existuje mnoho bílkovin, které přenášejí nebo vážou kyslík, například hemoglobin a myoglobin. Oba pocházejí z velmi dlouhého období z prapůvodního genu, který byl duplikován a jehož kopie se hromadily změnami, až se z nich staly bílkoviny s příbuznými, ale ne totožnými funkcemi. Jsou si navzájem analogické.
Okno
To jsou paralogní geny: kopie stejného genu v rámci stejného genomu organismu. A zde přichází důležitý detail, protože známe některé univerzální paralogní geny, které jsou společné všem známým živým tvorům. To znamená, že všechny byly přítomny v LUCA, tedy zatím nic nového. Nicméně… kdy se tyto paralogní geny zdvojily? Před LUCA, to je jisté. A máme to, skromné okénko do některých znaků, které měly být přítomny dříve.
Myšlenka nového článku je geniální: pokud najdeme dva paralogní geny, které jsou přítomny u všech živých tvorů, můžeme rekonstruovat jejich evoluční historii. Pokud k duplikaci, která dala vzniknout těmto dvěma genům, došlo předtím, než se hlavní větve života (bakterie, archea, eukaryota) rozdělily, pak k této duplikaci muselo dojít v liniích, které předcházely LUCA, nebo v populacích velmi blízkých v čase.
„Přestože známe jen velmi málo univerzálních paralogů, mohou nám poskytnout mnoho informací o tom, jaký byl život před dobou posledního univerzálního společného předka,“ říká Dr. Aaron Goldman, jeden ze spoluautorů studie. K tomu Dr. Greg Fournier dodává: „Historie těchto univerzálních paralogů je jedinou informací, kterou kdy budeme mít o těchto nejstarších buněčných liniích, takže z nich musíme pečlivě vytěžit co nejvíce poznatků.
Jak se to dělá v praxi? Velmi zjednodušeně řečeno, vědci:
- Identifikují dvojice paralogních genů, které se vyskytují ve všech analyzovaných genomech.
- Pomocí algoritmů rekonstruují předky sekvencí těchto genů a strom, který popisuje, jak se od sebe oddělily.
- Tento strom porovnávají s velkým stromem života (stromem, který spojuje bakterie, archea a eukaryota), aby odhadli, kdy došlo k původní duplikaci.
Pokud je duplikace starší než oddělení velkých domén, pak tyto geny existovaly již v liniích před vznikem LUCA, a protože se každý gen podílí na určité funkci (například syntéze bílkovin nebo transportu elektronů), poskytuje nám to vodítko, jaký druh biochemie existoval již před vznikem našeho univerzálního společného předka.
Co nám tyto geny říkají o životě před LUCA
LUCA již měla buněčnou membránu a DNA, ale jaká byla biochemie jejích předků? Jaké molekuly používali k přenosu látek z jedné strany membrány na druhou? Co přesně používali k přepisu DNA do RNA a k překladu RNA do proteinů? To jsou otázky, na které bychom mohli odpovědět s pomocí paralogních genů. A i když se to nezdá… jaké další charakteristiky bychom o takovém organismu mohli doufat, že se dozvíme, když ne biochemické?
Univerzální paralogy identifikované při takových studiích se často týkají velmi základních funkcí, tak zásadních, že by se bez nich žádná složitá forma života neobešla. Mezi vodítka, která poskytují, patří např:
- Velmi starobylé překladatelské stroje. Některé paralogy jsou zapojeny do ribozomu a enzymů, které „nakládají“ přenosové RNA s aminokyselinami. To naznačuje, že systém translace z RNA na bílkoviny existoval již před LUCA, i když možná s odlišnostmi oproti dnešku.
- Energetický metabolismus založený na gradientu. Další univerzální paralogické geny se týkají proteinů, které přesouvají protony (H⁺) přes membrány nebo se podílejí na řetězcích pro přenos elektronů. To naznačuje, že ještě před LUCA existovaly buňky nebo protobuňky, které využívaly rozdíly v koncentraci iontů na obou stranách membrány k získávání energie, tedy něco podobného, co dnes dělají naše mitochondrie.
- Rané využívání kofaktorů a kovů. Mnoho starověkých enzymů závisí na kovech, jako je železo, nikl nebo molybden. Skutečnost, že si univerzální paralogy tuto závislost zachovaly, naznačuje, že prostředí, v němž tyto rané linie žily, bylo na tyto prvky bohaté, což odpovídá scénářům, jako jsou oceánské hydrotermální průduchy.
Dohromady tyto indicie posilují obraz, podle kterého byl život již v období před LUCA organizován do něčeho velmi podobného buňkám, s membránami, chemickými gradienty a rudimentárním translačním systémem, ale možná s menšími, méně stabilními genomy a intenzivním mícháním genů mezi jednotlivými liniemi.
A co „svět RNA“?
V mnoha populárně-naučných knihách se objevuje hypotéza „světa RNA“: velmi rané stadium, v němž by molekuly RNA plnily dvojí úlohu – uchovávaly genetickou informaci a katalyzovaly chemické reakce – ještě předtím, než se objevila DNA a bílkoviny. Tuto myšlenku podporuje skutečnost, že dodnes existují ribozymy (RNA s katalytickou aktivitou) a že RNA stále zaujímá ústřední místo v translační mašinérii.
Odpovídá této hypotéze nová strategie založená na paralogech? Nevylučuje ji, ale kvalifikuje ji. Univerzální paralogové geny, které dnes můžeme studovat, již patří do stadia, kdy DNA, RNA a proteiny existují společně. Jinými slovy, vypovídají o světě, který následuje po hypotetickém světě čisté RNA. Skutečnost, že mnoho z těchto genů souvisí s translací a manipulací s RNA, však naznačuje, že přechod od systému s převahou RNA ke smíšenému systému DNA-RNA-protein byl postupný a zanechal hluboké stopy.
Jinými slovy: univerzální paralely nám umožňují nahlédnout do přechodné fáze, v níž se život již hodně podobá tomu, co bychom dnes nazvali „buňkami“, ale stále nese stopy primitivnějších stadií. Co se dělo předtím – jak vznikly první samoreplikující se molekuly, jak se vytvořily první membrány, jak se sestavily první metabolické systémy – je stále doménou jiných směrů výzkumu: prebiotické chemie, laboratorních experimentů simulujících ranou Zemi, studia meteoritů atd.
Strom… nebo síť
Obraz dále komplikuje další důležitá nuance. Klasická představa „stromu života“ s jasně definovanými větvemi může být pro nejranější stadia zavádějící. U dnešních mikroorganismů je velmi běžný tzv. horizontální přenos genů: bakterie a archea si předávají geny jako při sdílení souborů, aniž by museli být „rodič“ a „dítě“.
Mnozí odborníci předpokládají, že v prvních několika stovkách milionů let života byla tato výměna genů ještě intenzivnější. Místo čistého stromu bychom tak měli spíše něco jako síť linií, které se navzájem mísí, prolínají a kradou si geny. V tomto kontextu může být řeč o „jednom“ společném předkovi zjednodušením: LUCA by byl spíše posledním bodem, kde se tato síť stává dostatečně koherentní, abychom ji mohli sledovat zpětně.
Univerzální paralogní geny jsou v tomto scénáři obzvláště cenné, protože jsou tak hluboce integrovány do základních funkcí, že je méně pravděpodobné, že by horizontálním přenosem přeskočily z jedné linie do druhé. Díky tomu jsou relativně spolehlivými markery pro rekonstrukci nejstarší historie, kde jiné geny byly vyměněny tolikrát, že si již nezachovaly jasný signál.
Omezení a budoucnost této strategie
To vše zní slibně, ale je důležité zůstat nohama na zemi. Množství informací, které můžeme získat z univerzálních paralel, je velmi omezené: mluvíme o několika párech genů ve srovnání s tisíci, které tvoří typický genom. Rekonstrukce sekvencí předků a evolučních stromů navíc vždy zahrnují určitou chybovost, zejména pokud se vracíme miliardy let zpět.
Na druhou stranu nám tato strategie vypovídá pouze o biochemii a genetice. Nemůže nám říci, jaké byly tyto organismy fyzicky (velikost, tvar), v jakém konkrétním prostředí žily nebo jak byly ekologicky organizovány. K tomu ji musíme kombinovat s dalšími důkazy: geologií (např. chemickými stopami biologické aktivity ve velmi starých horninách), laboratorními experimenty, které testují pravděpodobné metabolické dráhy, nebo počítačovými modely rané evoluce.
Přesto nám tento přístup otevírá zcela novou cestu: poprvé můžeme formulovat konkrétní, testovatelné hypotézy o procesech, které probíhaly před LUCA. S tím, jak budou sekvenovány další genomy nedostatečně prozkoumaných mikroorganismů a jak se budou zdokonalovat metody analýzy, mohou být identifikovány nové univerzální nebo téměř univerzální paralely, které rozšíří okno do této vzdálené minulosti.