Život na Zemi možná vznikl dvakrát. Bakterie a archea se od společného předka „odstřihly“ nezávisle, když nahradily kovy vlastními enzymy

Genetický kód vznikl jednou, samostatně žijící buňka možná dvakrát. Podle nové studie si prapředek LUCA část chemie vypůjčoval od kovů na mořském dně.

Zdroj fotografie: Pxhere

Představte si teplé, zásadité vody prosakující horninami pravěkého oceánského dna, bohaté na vodík a poseté zrnky železa a niklu. Někde tam podle týmu z Düsseldorfu existovalo cosi, co už mělo genetický kód a ribozom, ale k životu potřebovalo své okolí jako berlu. Tento tvor, poslední univerzální společný předek všeho buněčného života označovaný zkratkou LUCA, podle studie v časopise Science Advances ještě neovládal celý svůj metabolismus. Část reakcí za něj obstarávaly kovy v hornině. Bakterie a archea, dvě nejstarší větve života, se pak z této závislosti vymanily každá zvlášť. Evoluční biolog William F. Martin to ve zprávě Univerzity Heinricha Heineho v Düsseldorfu shrnul větou, která rozvířila debatu: „Jeden původ genetického kódu, ale dva původy života.“ Za živou lze podle něj v tomto rámci považovat až buňku schopnou volně žít. A ta se zrodila dvakrát.

LUCA: prapředek, který si chemii půjčoval od kovů

Moderní buňka je chemická továrna, kde téměř každý krok pohání enzym, tedy bílkovinný katalyzátor urychlující konkrétní reakci. Badatelé kolem první autorky Natalie Mrnjavac se ptali, kolik takových „strojů“ měl LUCA k dispozici. Odpověď zní 166 enzymů jádrového metabolismu. Na první pohled úctyhodná sbírka, jenže na úplnou soběstačnost podle autorů nestačila.

Mezery podle studie vyplňovala geochemie. Železo, nikl, kobalt a palladium v hydrotermálním prostředí mohly sloužit jako předchůdci biologických katalyzátorů a pohánět reakce, které dnes obstarávají enzymy a jejich pomocné molekuly, kofaktory. Energii k tomu měl dodávat fosfit, sloučenina fosforu, jež umožňuje připojovat fosfátové skupiny bez pomoci enzymů.

Tým se přitom nespokojil s výpočty. V laboratoři smíchal fosfit s niklem, železem, kobaltem, magnetitem či palladiem a při 50 °C a neutrálním až mírně zásaditém pH sledoval, co se děje. Z AMP vzniklo ADP, ze serinu fosfoserin. Obojí bez jediného enzymu. Pro hypotézu jde o cenné vodítko: chemii, kterou dnes pohánějí složité proteiny, zvládne v jednodušší podobě i holý kov.

Proč tedy život kovy nakonec opustil? Enzymy nabízejí přesnost, které kov nikdy nedosáhne. Rozliší konkrétní molekulu, dají se zrychlit i přibrzdit a přírodní výběr je může doladit. Kov katalyzuje, co mu přijde do cesty. Enzym poslouchá.

Dvě nezávislé cesty k samostatné buňce: 89 enzymů pro bakterie, 38 pro archea

Jádro celé hypotézy spočívá v tom, co se odehrálo po rozdělení obou linií. Na větvi vedoucí k poslednímu společnému předku bakterií, zkráceně LBCA, se podle analýzy objevilo 89 nových enzymů. Na větvi k poslednímu společnému předku archeí, LACA, dalších 38. Obě linie přitom řešily podobné úkoly, tedy nahradit katalýzu z prostředí vlastním aparátem. Často však sáhly po strukturálně odlišných řešeních.

Dvě vzdálené dílny tak sestrojily dva rozdílné nástroje pro tutéž práci. Právě v tom autoři spatřují důkaz, že soběstačnost se rodila odděleně. Kdyby ji obě linie zdědily od společného předka, jejich enzymy by si byly nápadně podobnější.

Univerzita popisuje vývoj ve čtyřech etapách:

• Kovová éra: reakce probíhají jen díky kovům v hornině.
• Hybridní LUCA: kovy a první enzymy pracují bok po boku.
• Cesta k bakteriím: nové enzymy postupně přebírají úlohy, které dříve plnilo prostředí.
• Cesta k archeím: totéž se děje nezávisle a jinými molekulárními prostředky.

Aby se v příběhu neztratila přesnost, vyplatí se rozlišit tři roviny, které v titulcích často splývají:

Rovina	Kolikrát vznikla podle studie	Co to znamená
Genetický kód	jednou	bakterie i archea sdílejí stejný základ dědičnosti
Metabolismus	postupně, z geochemie	kovy předcházely enzymům, LUCA měl jen část výbavy
Plně autonomní buňka	dvakrát	bakterie a archea se z vazby na prostředí vymanily odděleně

Výpočetní stránka práce budí respekt. Síť zahrnuje zhruba 420 reakcí, které z látek dostupných na rané Zemi skládají aminokyseliny, stavební kameny RNA a vitaminy. Autoři prošli 552 bakteriálních a 401 archeálních genomů, bílkovinné sekvence roztřídili do rodin a po anotaci získali 1 473 shluků přiřazených k 361 reakcím. Rozdíl mezi oběma čísly vyplývá z toho, že ne každý krok celkového schématu se dal spolehlivě vystopovat v dnešních genomech. Pro úplnost: ve skriptech, jimiž data zpracovali, si podle metodiky místy vypomohli i jazykovými modely ChatGPT a DeepSeek.

A kde v tom stojíme my? Lidé, houby i rostliny patří mezi eukaryota, která přišla na scénu až po rozchodu obou prastarých linií. Naše buňky mají informační aparát příbuzný archeím, zatímco mitochondrie, jejich elektrárny, pocházejí z pohlcených bakterií. Člověk tak nese dědictví obou „druhých začátků“ zároveň.

Hydrotermální průduchy, RNA svět a viry na hranici živého

Myšlenka, že život se zrodil u průduchů na mořském dně, není nová. Už starší rekonstrukce, například přehledová práce v PLOS Genetics z roku 2018, líčily LUCA jako mikroba z hydrotermálního prostředí bohatého na kovy. Tehdy však převládal obraz komplexní a plně vybavené buňky. Düsseldorfský tým posouvá laťku níž a předka vidí jako mezistupeň mezi chemií a biologií.

Od hypotézy RNA světa se nová práce odlišuje těžištěm. Zastánci RNA světa staví do středu molekulu RNA, která měla zároveň uchovávat informaci i katalyzovat reakce. Mrnjavac a kolegové se soustředí na metabolismus a genetický systém předpokládají jako už zčásti hotový. Obě koncepce si tedy spíše odpovídají na různé otázky, než aby se vylučovaly.

Martinovo pojetí „živého“ jako volně žijící buňky má zajímavý přesah k virům. Ty sice nesou DNA nebo RNA a vyvíjejí se, chybí jim ale vlastní metabolismus a bez hostitelské buňky se nerozmnoží. Proto bývají řazeny na pomezí života. LUCA v novém výkladu obývá podobnou šedou zónu, i když z opačné strany: genetiku měl, chemickou samostatnost ještě ne.

Opatrnost zaznívá i z autorského týmu. Spoluautor Harun Tüysüz pro madridský institut IMDEA Materials zdůraznil, že studie nepředkládá definitivní popis vzniku života, nýbrž experimentální podporu věrohodného scénáře. Biologové oslovení časopisem Scientific American zase varují před slovem „nedokončený“: evoluce neměla předem vytyčený cíl a LUCA nemířil k dnešním bakteriím. Otevřené zůstávají i další otázky. Jak přesně se přešlo od takového protometabolismu k plné syntéze bílkovin? Proč život opustil fosfitovou energetiku? A nevysvětlí část „nezávislých“ enzymů spíše pozdější ztráta genů či jejich horizontální přenos mezi organismy? Podle nás právě tyto spory dávají hypotéze váhu. Testovatelné tvrzení je pro vědu cennější než pohodlná jistota.

Čeští vědci, protobuňky a život mimo Zemi

Pátrání po prvopočátcích života má silnou stopu i v Česku. Biochemička Klára Hlouchová vede na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy laboratoř syntetické biologie, která zkoumá původ a evoluci života z molekulární perspektivy. V Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR zaštiťuje projekt PROTOCELL, v jejímž rámci poputují protobuňky z RNA a peptidů na Mezinárodní vesmírnou stanici. Vědci chtějí zjistit, zda se primitivní živé systémy dokážou formovat a fungovat i ve stavu beztíže. Michal Kolář z VŠCHT Praha se s jejím týmem věnuje vzniku protoribozomu a raným komplexům RNA, peptidů a kovových iontů. Kovy tedy hrají roli i v české větvi výzkumu.

Praktický dosah düsseldorfské studie je zatím hlavně astrobiologický. Pokud stačí voda, kovy, vodík, oxid uhličitý a energetický spád k tomu, aby se rozběhly kusy metabolismu, rozšiřuje se okruh míst, kde má smysl život hledat. NASA dlouhodobě zmiňuje hydrotermální komíny jako vhodnou kolébku a podobná prostředí předpokládá i v podpovrchových oceánech Saturnova měsíce Enceladus.