Proč začal život na Zemi produkovat kyslík?

Analýzou záhybů proteinů představujících každou doménu života sestavil tým vědců časovou osu ‚proteinové historie‘, která by mohla vysvětlit, proč začal život na Zemi vyrábět kyslík. Rozhodující okamžik v historii života nastal před 2 až 3 miliardami let, když se na Zemi objevil molekulární kyslík. Nyní vědci oznámili, že identifikovali enzym, který byl první – nebo jeden z prvních – nutný k tvorbě molekulárního kyslíku na Zemi.

Nové objevy publikované v časopise Structure, založené na dřívějších studiích, které se snaží vystopovat molekulární evoluci života prostřednictvím hledání dokladů o této historii v dnešních proteinových strukturách. Tyto studie vedl Gustavo Caetano-Anollés, profesor na Universitě v Illinois a Institutu pro genomickou biologii. Studie se soustřeďují na strukturálně a funkcionálně odlišné oblasti proteinů – nazývané záhyby – které jsou částí univerzální sady nástrojů živých buněk.

Proteinové záhyby jsou mnohem stabilnější než sekvence aminokyselin, které je tvoří. Mutace nebo jiné změny v sekvenci se často objeví bez rozpadu struktury nebo funkce záhybu. To činí záhyby mnohem spolehlivějšími markery dlouhodobých evolučních schémat.

Na nové studii spolupracoval Caetano-Anollés s kolegy z Číny (Huazhong Agricultural University, Shandong University of Technology) a Koreje (Research Institute of Bioscience and Biotechnology) a rozluštil dávnou záhadu: jak rané organismy začaly vyrábět kyslík a proč.

Mezi vědci panuje shoda, že přibližně před 2,4 miliardami let začal život na Zemi produkovat kyslík (tzv. Great Oxygenation Event, GOE) pomocí fotosyntézy.

Ale problém je nyní s touto otázkou: kyslík je jedovatý, proč tedy živé organismy začaly produkovat kyslík? Něco to muselo spustit.

Vědci hledali otázku v „molekulárních fosíliích“, které dosud přečkávají v živých buňkách. Za účelem zkompletování historie proteinů analyzovali proteinové záhyby z téměř tisíce organismů reprezentujících všechny domény života. Zaměřili se na proteiny s jedním záhybem (o kterých jsou vědci přesvědčeni, že jsou evolučně nejstarší) a kalibrovali je použitím fosilních mikrobů, které se objevují v geologickém materiálu z příslušného období se stářím kolem 2,4 miliard let.

Analýza odhalila, že nejstarší reakce aerobního metabolismu vyžadovala syntézu pyridoxinu (aktivní formy vitamínu B6, který je nepostradatelný k aktivitě mnoha proteinových enzymů) a objevila se zhruba před 2,9 miliardami let. Kyslík produkující enzym, manganová kataláza, se objevil ve stejnou dobu.

Jiné nedávné studie také nasvědčují tomu, že aerobní (na kyslíku založené) dýchání začalo na Zemi 300 až 400 miliónů let před GOE. To by dávalo smysl, takže výroba kyslíku pravděpodobně začala nějakou dobu před tím, než plynného kyslíku na Zemi začalo přibývat.

Katalázy rozkládají peroxid vodíku na vodu a kyslík. Vědci se domnívají, že první organismy „objevily“ tento enzym při pokusu vypořádat se s peroxidem vodíku v zevním prostředí. Někteří geochemici věří, že peroxid vodíku byl v té době přítomen jako výsledek intenzivního působení slunečního záření na ledovce, které pokrývaly většinu planety.

V tajícím ledu byla vysoká koncentrace peroxidu vodíku a organismy v něm žijící byly peroxidu vodíku dlouhodobě vystaveny. Manganová kataláza, enzym štěpící peroxid vodíku na vodu a kyslík jako vedlejší produkt je pravděpodobně molekulárním viníkem toho, že se plynný kyslík na Zemi poprvé objevil.