Az autokatalízis folyamata volt az élet kialakulása szempontjából az egyik legfontosabb kémiai jelenség. A katalízis során a kémiai reakció sebessége megnő, mivel egy, a reakcióban tartósan nem átalakuló anyag (a katalizátor) lecsökkenti a kölcsönhatáshoz szükséges aktiválási energiát. Az autokatalízis ettől abban különbözik, hogy a reakció egyik terméke viselkedik katalizátorként. Vagyis, ahogy egyre többször megy végbe a reakció, és egyre több termék képződik, a katalizátorból is egyre több lesz, így a kölcsönhatás öngerjesztővé válhat – magyarázza cikkében a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) híroldala.

Az evolúcióbiológiai elméletek szerint a hosszan fenntartott autokatalízis, illetve a kompartmentalizáció (vagyis a sejtszerű, elkülönült struktúrák létrejötte, növekedése és szaporodása) az élet létrejöttének egyik kulcsfontosságú lépése lehetett. Ennek ellenére eddig szinte senkinek sem sikerült demonstrálnia, hogy a kismolekulájú autokatalízis és a kompartmentalizáció egy rendszerben is tartósan megvalósulhat. Egy nemzetközi kutatócsoport, amelynek tagja volt Szathmáry Eörs evolúcióbiológus, az MTA rendes tagja is, azonban most létrehozott egy mesterséges kémiai rendszert, amely bizonyítja, hogy a kompartmentumokban (amelyeket nevezhetünk akár „protosejteknek” is) zajló autokatalízis elősegíti az élő sejtek működése szempontjából is alapvető jelentőségű ozmózist és diffúziót, ami a kompartmentumok növekedését eredményezi. A kísérlet eredményeit a Nature Chemistry folyóiratban publikálták.

„A rendszerkémia tudományterülete, vagyis a különféle autokatalitikus rendszerek analízise és szintézise három úttörő tudós egyéniség: Manfred Eigen, Günter von Kiedrowski és Gánti Tibor munkásságának hála születhetett meg” – mondta el az mta.hu-nak Szathmáry Eörs, hozzátéve, hogy a rendszerkémia tehát szorosan összefügg az élet keletkezésének kutatásával, hiszen olyan rendszereket vizsgál, amelyek a kémiai és a biológiai evolúció közötti átmenetnek tekinthetők: bonyolultabbak, mint az egyszerű molekulák, de egyszerűbbek, mint az élő sejtek.

Szathmáry Eörs

MTA/Szigeti Tamás

Gánti Tibor már 1978-ban leírta az önreprodukáló mikrogömböket. Ezekből még hiányzott a genetikai anyag, viszont a membránjukon belül elkülönített (kompartmentalizált), kismolekulájú autokatalitikus anyagcsere-hálózatot rejtettek. Ahogy zajlik az autokatalitikus folyamat, termelődik a membránt felépítő anyag, ami végül a gömb osztódásához vezet. E rendszer látszólag élő sejtnek tűnhet, és bár hiányzik belőle a genetikai anyag, ez csak kísérletesen igazolható. Szathmáry definíciója szerint e mikrogömbök „infrabiológiai” kémiai rendszernek tekinthetők, hiszen nem érik el a biológiai szervezettség szintjét, viszont a szokványos kémiai reakciók összetettségét már meghaladják.

A tanulmány alapjául szolgáló kísérletet a párizsi ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles) intézet biokémiai laborjában végezték el Andrew Griffiths és munkatársai. Griffiths arról híres, hogy a Cambridge-i Egyetemen ő dolgozta ki az in vitro kompartmentalizációs technikát, amellyel apró kompartmentumokat lehet előállítani, és nemcsak az evolúciókutatásban hasznos, de a biotechnológiai fejlesztéseket is segítheti. Szathmáry Eörs első, tíz évvel ezelőtti ERC (Európai Kutatási Tanács) Advanced kutatási támogatásában az akadémikus mellett Griffiths volt a társkutató, innen eredeztethető az együttműködésük.

„Már e kutatások idején elkezdtünk gondolkodni azon, hogy kísérletesen is meg kellene valósítani azt a folyamatot, amikor egy kismolekulás anyagcsere-hálózat növekedése oda vezet, hogy a hálózatot magába záró kompartmentumok is növekednek, illetve valamilyen hatás folytán osztódni tudnak” – folytatja Szathmáry Eörs. „Már Gánti Tibor is leírta, hogy e rendszer egyik legígéretesebb jelöltje a formóz reakció, vagyis az autokatalitikus cukorkeletkezés, amely formaldehidet fogyaszt, és glikolaldehid molekulák körkörös átalakulása és szaporodása zajlik benne. A reakció enzimeket nem igényel.”

Gánti Tibor

Gulyás László festménye

A kísérletben apró vízcseppecskéket hoztak létre olajos közegben, amelyek nem olvadtak össze, tehát afféle mesterséges sejtekként viselkedtek. Egyes „sejtekhez” adtak glikolaldehidet autokatalizátorként (a formaldehid, mint tápanyag mellett), másokhoz viszont nem. Előbbi csoportban beindult a formóz reakció, és az ozmózis révén elszívta a vizet azon kompartmentumoktól, amelyekben nem volt glikolaldehid. Emiatt növekedni kezdtek, és külső hatásra osztódni is tudtak.

Számos kutató szerint a szabályozott sejtosztódás megjelenése előtt külső hatásra, például a turbulens áramlás miatt osztódtak a kezdeti sejtek. Minthogy ehhez külső hatás kell, e mechanizmust csak szemiautonóm (részben önálló) reprodukciónak tekinthetjük. De Szathmáry Eörs szerint, ha megbízhatóan jelen volt a hatás a környezetben, akkor fenntarthatóan is működhetett a rendszer. „A kísérlettel bizonyítottuk, hogy lehetséges a kémiai és a biológiai rendszerek közötti átmeneti organizációkat létrehozni” – hangsúlyozza az akadémikus.

Magyar tudós vezetésével, 0,000000000001 literes cseppekben szimulálják az élet első jeleit

Szemmel láthatatlan cseppekben, mesterséges sejtekben szimulálja az első létformák kialakulását egy nemzetközi kutatási konzorcium az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Ökológiai Kutatóközpontját irányító Szathmáry Eörs vezetésével. A kísérlet annyira újszerű, hogy modernizálni kell hozzá a kísérleti eszközöket - a jelentősége ezért mutat messze túl pusztán a kémiai és a biológiai evolúció határmezsgyéjének a vizsgálatán.

A kísérlet egésze a kutatók szerint inkább analógiaként értelmezhető, nem gondolják, hogy ezekből az összetevőkből jöttek volna létre az igazi élő sejtek évmilliárdokkal ezelőtt. Ugyanakkor maga a formóz reakció valóban szerepet játszhatott a kémiai és a biológiai evolúció közötti átmenetben, hiszen a reakció révén autokatalízissel a szerves molekulák felépítésében használható cukrok jönnek létre. Bár nem ismerünk olyan baktériumot, amelyben a formóz reakció lenne az anyagcsere magja, de Szathmáry Eörs szerint az evolúció korai fázisában előfordulhatott, hogy totálisan új biokémiai rendszerek léptek a korábbiak helyébe, így nem kizárható, hogy a formóz reakció részt vett az élet keletkezésében.

Nagy kérdés, hogy hol váltott át a kémiai evolúció biológiai evolúcióba.

„A kettőt az öröklődés természete különbözteti meg egymástól – vélekedik Szathmáry Eörs. – Már bizonyos kémiai rendszerek is képesek korlátozott öröklődési rendszerek kialakítására, amelyek stabilis szaporodást tesznek lehetővé. De a nukleinsavak megjelenésével teljesen más helyzet állt elő, hiszen már egy viszonylag rövid (száz építőkőből álló) nukleinsav is praktikusan végtelen (1,6x1060) sok különböző sorrenddel bírhat. Az örökölhető állapotok kombinatorikus robbanása jelzi az igazi biológia kezdeteit.”

E vizsgálat jelentőségét a kutató megfogalmazása szerint az adja, hogy a világon elsőként megmutattuk, hogy a kismolekulájú autokatalitikus folyamatokból álló reakcióhálózat működése, genetikai anyag és enzimek nélkül is oda vezet, hogy a kompartmentek növekedni és osztódni kezdenek, vagyis újabb generációik jönnek létre.

„Ezt soha korábban nem sikerült demonstrálnia senkinek,

így az eredmény alapvető jelentőségű a rendszerkémia elveinek kísérletes igazolásában, és az élet keletkezésének kutatásában is irányt mutat”.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.