Hayatın kökeniyle ilgili en önemli gizemlerden birisi olan fosfat, Erken Dünya üzerindeki eksik erişilebilirlik göz önüne alındığında, hücrelerdeki genetik ve metabolik makinelerin temel bir yapı taşı haline gelmesidir.
Cell Dergisinde yayınlanan bir araştırmada, araştırmacılar, bu uzun süredir devam eden konjonktürün üstesinden gelmek için, sistem biyolojisi yaklaşımlarını kullandılar; ilkel canlıların fosfata hiç dayanamadığına dair güçlü, veri odaklı kanıtlar sundular. Birkaç basit, bol molekül, önemli biyomoleküllerin geniş bir kategorisinin sentezini destekleyebilen, zengin bir biyokimyasal reaksiyon ağı oluşturacak şekilde genişleyen kükürt esaslı, fosfat içermeyen, bir metabolizmanın ortaya çıkmasını destekleyebiliyor.
Boston Üniversitesi‘nden Yazar Daniel Segrè:”Bu çalışmaların önemi, yaşamın kökenini anlama konusundaki gelecek çabaların, günümüzde fosfat esaslı proseslerin ilk yaşam tarzı süreçler ortaya çıkmaya başladığı zamanlarda bulunmayabileceğinin, somut ihtimalini hesaba katması gerektiğidir. Yaşam sistemlerinin birkaç ana yapı taşını üretebilen, fosfattan bağımsız bir metabolizma ilke olarak uygulanabilir.”
Fosfat, tüm canlı sistemler için gereklidir ve bilinen biyomoleküllerin büyük bir bölümünde mevcuttur. Şeker fosfat omurgası DNA ve RNA da dahil olmak üzere nükleik asitlerin yapısal çerçevesini oluşturur. Dahası, fosfat, hücreler içinde kimyasal enerji taşıyan adenozin trifosfatın (ATP) kritik bir bileşenidir ve metabolizmada çok önemli rolleri olan NADH adlı bir bileşiktir. Fakat kıtlık ve erişilebilirliğin yetersizliği göz önüne alındığında fosfatın bu temel rolleri İlkel Dünya üzerinde nasıl üstesinden gelebileceği belirsizdir.
Bu bulmaca ışığında, bazıları erken metabolik yolların fosfata dayanmadığını öne sürdü. Bu senaryolarda, mineral yüzeylerde bulunan sülfür ve demirin fosfat görünümünden önce önemli katalitik ve enerjik işlevleri yerine getirdiği düşünülmektedir. Hayatın orijinal senaryolarından biri, ATP’nin rolünün başlangıçta protein, karbonhidrat ve lipid metabolizmasına katılan tioesterler adı verilen kükürt içeren bileşikler tarafından üstlendiğini ileri sürmektedir. Erken Dünya’da demir ve kükürt bulunmasına rağmen, bu senaryoları destekleyen somut kanıt bulunmamaktadır.
Segrè ve ekibi, “demir-kükürt dünya hipotezi” nin fizibilitesini test etmek için, karmaşık metabolik ağların büyük ölçekli analizleri için geliştirilen hesaplama sistemleri biyoloji yaklaşımlarını kullandı. Araştırmacılar, bilinen tüm biyokimyasal reaksiyonların bir araya getirilmesi için büyük bir veri tabanı kullandı. Araştırmacılar, sözde “biyosfer düzeyinde metabolizma” sözcüğünü keşfettikten sonra, prebiyotik ortamlarda mevcut olduğu düşünülen sekiz fosfat içermeyen bileşik grubunu tespit ettiler. Daha sonra format, asetat, hidrojen sülfit, amonyum, karbondioksit, su, bikarbonat ve sodyum sülfat içeren bu sekiz bileşiğin mevcudiyetinde gerçekleşebilecek olası reaksiyonların hepsini derleyerek, ilkel metabolik ağların ortaya çıkmasını taklit eden bir algoritma kullandılar: Azot gazı.
Bu analiz, birkaç basit prebiyotik bileşiğin zengin fosfattan bağımsız bir metabolik ağın ortaya çıkmasını destekleyebildiğini ortaya koydu. 315 reaksiyon ve 260 metabolitten oluşan bu çekirdek ağı, amino asitler ve karboksilik asitler gibi önemli biyomoleküllerin geniş bir kategorisinin biyosentezini destekleyebildi. Özellikle, ağ, demir-kükürt kümeleri içeren enzimler için zenginleştirildi ve modern biyokimyanın mineral jeokimyasından geldiği fikri güçlendi. Dahası, fosfat yerine tioesterler, bu çekirdek metabolizmasının enerjik darboğazların üstesinden gelmesine ve fizyolojik olarak gerçekçi koşullar altında genişlemesine imkan verebilirdi.
Segrè, “Çalışmamızdan önce, diğer araştırmacılar, kükürt temelli erken bir biyokimya önermişti ve fosfatın gerekli olmadığını düşünmüşlerdi. Şimdiye kadar eksik olan şey, dağılmış tepkiler yerine bu erken süreçlerin, oldukça bağlı ve nispeten zengin ilkel metabolik bir ağ oluşturabileceğine dair veri kaynaklı kanıttı.”
Deneysel olmayan bu kanıt, yaşamın fosfatsız başladığını kesin olarak ispatlamasa da, demir-kükürt dünya hipotezi ve tioester dünya senaryosu için güçlü bir destek sağlıyor. Aynı zamanda, çalışma, kendi kendini kopyalayan RNA moleküllerinin Dünya üzerindeki tüm mevcut yaşamın öncüllerini önermiş olduğu “RNA dünyası hipotezini” sorgulamaya çağırıyor. Bunun yerine, sonuçlar kendi kendine kalıcı fosfat içermeyen bir metabolik ağın nükleik asitlerin ortaya çıkışından önce geldiğini ortaya koyan “metabolizma ilk hipotezini” desteklemektedir. Başka bir deyişle, nükleik asitler, evrimsel sürecin bir sonucu olabilir.
Boston Üniversitesi‘nden başyazar Joshua Goldford, “Erken bir metabolizmanın fosfatsız çalıştığı kanıtı, fosfatın hücresel yaşamın başlangıcı için gerekli bir bileşen olmadığına işaret ediyor. Bu proto-metabolik sistem bir enerji kaynağına ihtiyaç duyuyordu; ya güneş enerjisini ana itici güç olarak ya da hidrotermal menfezlerin yakınında okyanusların derinliklerinde, yerkürenin yüzeyinde ortaya çıkmıştı, burada jeokimyasal gradyanların ilk yaşam benzeri süreçleri olduğu varsayılıyor. ”
Gelecekteki çalışmalarında, araştırmacılar hayatın kökenini incelemek için sistem biyoloji yaklaşımlarını uygulamaya devam edecektir. Segrè, “Bu bulguların olası tarihsel metabolik yolların peyzajıyla ilgili daha fazla çalışmanın yanı sıra fosfat içermeyen, kükürt esaslı bir çekirdek biyokimyasının fizibilitesini test etmek için özel deneyleri motive edeceği umudundalar. Metabolizmanın bir organizmaya özgü olmaktan ziyade bir ekosistem düzeyinde veya hatta gezegensel bir fenomen olarak analiz edilmesi fikri, mikrobik toplulukları anlamamız açısından da etkide bulunabilir. Ayrıca, mirasın ve evrimin nasıl olduğu konusunu tekrar gözden geçirmek ilginç olacak.”
