С момента своего открытия 40 лет назад подводные гидротермальные жерла были предметом исследований происхождения жизни. Они питают условия, которые как раз и способствуют химическим реакциям, которые, как подозревают биологи, стимулировали первые биохимические пути и первые свободные живые клетки. Совсем недавно исследование показало, что протоклетки могут образовываться в условиях, существующих в таких системах. Успешный CO 2 фиксация в этих условиях всегда была объявленной целью, поскольку она является отправной точкой примитивного метаболизма. Почему? Важнейшая концепция происхождения исследований жизни - найти связь между абиотическими процессами в геохимических условиях и биохимическими путями жизни. Углеродная фиксация является отличной отправной точкой как с геологической, так и с биологической точки зрения. Существуют автотрофные микробы, ацетогены и метаногены, которые используют газообразный водород (H 2 ) в качестве источника электронов и энергии для фиксации CO 2 через метаболический путь, называемый путем ацетил-КоА. Микробы сначала преобразуют H 2 и CO 2 формиат, ацетат и пируват, которые содержат один, два и три атома углерода соответственно. Из этих биомолекул они затем производят весь свой органический материал посредством плотной дорожной карты сложных реакций, короче говоря: метаболизма. Примечательно, что H 2 также является основным компонентом стоков, которые выходят из щелочных гидротермальных систем вентиляции. До сих пор было предпринято много попыток связать СО 2 в условиях гидротермального выброса: градиенты ионов, сульфиды железа, минералы. Это всегда работало немного, но не убедительно, в контексте перехода от гео к био. Прежде чем наша группа, возглавляемая биологом Биллом Мартином из Университета им. Генриха Гейне в Дюссельдорфе, приняла этот вызов, потребовалась новая перспектива. Подсказка пришла в виде минерала из самородного металла или, точнее, интерметаллического соединения никель-железо, называемого аваруит (Ni 3).Fe), который находится в гидротермальных вентиляционных системах. Почему это было интересно? Прежде всего, минералы, такие как сульфиды железа, были исследованы в контексте происхождения жизни в течение длительного времени - и не без причины. Такие соединения имеют что-то общее с ферментами, которые выполняют работу по фиксации CO 2 в указанном выше пути ацетил-КоА: переходные металлы. В ферментативном активном сайте переходные металлы способствуют многочисленным реакциям, которые иначе бы длились вечно. Такой же каталитический эффект можно ожидать в абиотических, химических системах. Что сделало awaruite особенно интересным, так это то, что и никель, и железо здесь имеют нулевую валентность, они способны отдавать два электрона в отличие, например, от Fe 2+.сульфиды, которые могут выполнять только одноэлектронные реакции. Состояние с нулевой валентностью также адаптируется некоторыми ионами переходных металлов внутри ферментов и определенно было исследовано недостаточно. По крайней мере нет, когда проект начался. Мы начали с экспериментов по опосредованной минералами фиксации СО 2 и получили первые многообещающие результаты благодаря свежеприготовленному аваруиту, который был синтезирован группой химиков Харуна Тюйсюза в Институте исследований угля им . Макса Планка . Через год после экспериментов мы обнаружили, что другая группа в Страсбургском университете с химиками Джозефом Мораном (PI) и Камилой Муховской (научный сотрудник) работала над очень, очень похожими реакциями, не с аваруитами, а с простыми металлическими порошками, такими как железо или никель, поэтому элементарные компоненты аваруита. Удивительные результаты заключались в том, что абиотический СО 2 продукты фиксации соответствовали продуктам и промежуточным продуктам пути ацетил-КоА. Все идет нормально. Наши цели были настолько похожи, что мы начали сотрудничать и копать глубже. Мы решили попробовать другой минерал в качестве перспективного катализатора, обнаруженного в щелочных гидротермальных вентиляционных системах, - магнетит (Fe 3 O 4 ). И мы начали то, что очень часто игнорировалось в подобных исследованиях: основываясь на наших знаниях об аналогичных процессах в биологии, мы добавили H 2 в наши реакции высокого давления.

Экспериментальная установка в Дюссельдорфе и Страсбурге. Использование Н 2 в качестве источника электронов и минералов просто в качестве катализаторов, а не доноров электронов, оказалось точным. Количество электронов, поставляемых минералом, казалось, уже не имело большого значения, так как электроны поступали из Н 2 , активированного поверхностями минерала. Наши спектры продуктов включали формиат, метанол, ацетат и пируват, отражая стадии в соответствующем биологическом пути, пути ацетил-КоА. И это не остановилось там. На конференции в Японии микробиолог Кенсуке Игараси ( Научно-исследовательский институт биопродукции, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий ) обратился к Биллу Мартину с первыми результатами экспериментов по фиксации CO 2 с H 2 и сульфидом железа,greigite (Fe 3 S 4 ), результаты которого аналогичны результатам, полученным в экспериментах в Дюссельдорфе и Страсбурге. Появилась четкая закономерность, которая указала на очень маленький и древний сегмент метаболизма в качестве отправной точки для жизни. После этого мы постоянно обменивались результатами, сравнивали наши эксперименты.

Продукты, полученные с помощью наших геохимических реакций в соответствии с этапами биологического пути (путь ацетил-КоА). То, что в противном случае могло бы стать соревнованием, превратилось в захватывающий пример совместной работы, поскольку мы выполнили эксперименты с тремя гидротермальными минералами / катализаторами - аваруитом, магнетитом и грейгитом в трех различных лабораториях по всему миру. И поскольку все наши международные результаты привели к одному и тому же выводу, можно сделать вывод, который можно сделать из него: все три минерала катализируют связывание CO 2 с H 2 в воде и дают продукты, которые мы находим по аналогичному биохимическому пути. Наши эксперименты, опубликованные в журнале Nature Ecology and Evolution ,обеспечивают геохимический аналог биологической энергии и метаболизма углерода, сокращая разрыв между геологическими и биологическими процессами. И все это, потому что мы добавили водород - и сотрудничали. Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Фондом Volkswagen, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Обществом Макса Планка, Японским обществом развития науки и Министерством образования, культуры, спорта, науки и техники Японии. Мартина Прейнер Научный сотрудник, Университет им. Генриха Гейне, Дюссельдорф https://natureecoevocommunity.nature.com/users/352008-martina-preiner/posts/61023-origin-of-life-just-add-hydrogen