Az első sejthártyától a biokémiai szelektivitásig
A földi élet hajnalán, amikor néhány szerves molekula először határolt el egy belső teret a külvilágtól — megszületett az első sejthártya —, hirtelen világos határvonal húzódott a belső és a külső tér közé. Ez az ősi membrán már energiát követelt: a rendszernek be kellett fektetnie az elkülönítés fenntartásába, valamint abba, hogy a számtalan lehetséges reakció közül csak bizonyos anyagcsereutakat válasszon, amelyek értékes anyagokat juttatnak a sejtbe, és azokat új termékekké alakítanak.
A sejtanyagcsere önmagában is energiaigényes, ám létezik egy további, “extra költség”: annak fenntartása, hogy az anyagok a preferált reakcióutakon áramoljanak, ne pedig elvesszenek más lehetséges, de kevésbé előnyös biokémiai úton.
Hagyományos szemlélet szerint ezek a “határfeltételek” statikus külső tényezők, amelyeknek nincs energetikai ára. Azonban a legújabb kutatások erre rácáfolnak.
Új módszer a rejtett költségek felderítésére
Praful Gagrani és munkatársai (Tokiói Egyetem, Bécsi Egyetem, Georgia Institute of Technology, Earth-Life Science Institute) új matematikai eljárást dolgoztak ki, amellyel a sejtek energiaigényét a termodinamika oldaláról mérhetik. Ez lehetővé teszi, hogy sorrendbe állítsák az anyagcsereutakat aszerint, melyik mennyire hatékony biológiai szempontból. Az eredmények kulcsfontosságúak annak megértésében, hogyan született és fejlődött ki a földi élet.
Az inspirációt az adta, hogy Eric Smith egy korábbi tanulmányban a Calvin-kör (a fotoszintézis kulcsreakciója) vizsgálatakor egy szoftverrel minden elvileg lehetséges reakcióutat felsorolt, amelyek a szén-dioxidból glükózt állítanak elő. Ezt követően az új “fenntartási költség” fogalmát felhasználva sorolta be az utakat energiahatékonyság szerint — és arra lehetett következtetni, hogy a természet által használt Calvin-kör az egyik legkevésbé energiaigényes, különösen optimális útvonal.
Az új módszer szerint a sejtet egy állandó anyagáramlással működő rendszernek képzelhetjük el: alapanyag (például tápanyag) lép be, végtermék vagy hulladék távozik. A tőle függő kémiai reakcióhálózatban minden elvileg lehetséges anyagcsereutat azonosíthatunk, és mindegyikhez rendelhető “termodinamikai költség”. Ez a költség két tényezőből áll: az egyik a fenntartási költség — mennyire valószínűtlen egy adott útvonal állandó fenntartása, a másik a korlátozási költség — mennyire valószínűtlen, hogy az összes alternatív reakciót el tudjuk némítani.
Meglepő következtetések és biológiai kompromisszumok
Gagraniék elemzése megerősítette, hogy a párhuzamosan futó anyagcsereutak fenntartása kisebb költséggel járhat, mint egyetlen útvonal erőltetése. Ez némileg váratlan, ugyanakkor párhuzamba állítható azzal, mintha négy ember négy külön alagúton haladna át: gyorsabb és hatékonyabb, mintha össze kellene zsúfolódniuk kevesebb alagútba.
Mindeközben a természet mégis általában egy fő útvonalat részesít előnyben. Arra lehet következtetni, hogy ebben kulcsszerepet játszanak az enzimek, amelyek specifikusan felgyorsítanak bizonyos kémiai lépéseket, így a sejtek gazdaságosan képesek fenntartani a kiválasztott reakcióutakat, míg a párhuzamos folyamatok fenntartása akár toxikus anyagok felhalmozódásához vezethet.
Továbbra is az új matematikai módszer segíthet feltárni, miért éppen bizonyos anyagcsereutakat választott és stabilizált az élet. Ugyanakkor ezeknek az evolúciós döntéseknek a magyarázata multidiszciplináris kutatást kíván.
