起源のエネルギー：最後の普遍的な共通祖先（Luca）における生合成反応の好ましい熱力学

生命の起源のすべての理論には、原始化学反応を促進するためにエネルギー源が必要ですが、起源での代謝の出現を促進したエネルギーの性質はまだ議論されています。起源でのエネルギーの性質の証拠は、生命そのものの生化学的反応に保存されるべきであると推論しました。H2、CO2、NH3、H2s、およびリン酸塩のアミノ酸、ヌクレオチド、および補因子を合成する402個の個々の反応の保存された普遍的なコアを越えてΔGの値を計算することにより、これらの反応の95-97％がエキセルゴニックであることがわかります（Δg≤0kj愛1）は、生化学還元剤に代わる非平衡条件下でpH 7-10および80-100°Cで。Coreの反応の23％はATP加水分解を伴いますが、77％はATPに依存しません。炭素結合を含むΔGの反応によって熱力学的に駆動されます。pH 9および80°Cで-20〜 -300kJ⋅mol -1でエクセルゴニックである174の反応を特定しました。1つの反応型に分類されます。リン酸アシル加水分解物、14個のチオエステル加水分解物、30脱炭酸、35個のリング閉鎖反応、31個の芳香環形成、および44個のニコチンアミド、フラビン、フェレドキシン、または形成による44個の炭素還元。生合成コアトレースの最後の普遍的な共通祖先（LUCA）の402反応は、Lucaの化学成分の合成には、電力放電、UV光、リン化鉱物などの外部エネルギー入力が必要ではないことが明らかになりました。Lucaの生合成反応は、H2、CO2、NH3、H2S、およびリン酸の反応によって放出されるエネルギーから展開する代謝の自然な熱力学的傾向を明らかにします。

Though all theories for the origin of life require a source of energy to promote primordial chemical reactions, the nature of energy that drove the emergence of metabolism at origins is still debated. We reasoned that evidence for the nature of energy at origins should be preserved in the biochemical reactions of life itself, whereby changes in free energy, ΔG, which determine whether a reaction can go forward or not, should help specify the source. By calculating values of ΔG across the conserved and universal core of 402 individual reactions that synthesize amino acids, nucleotides and cofactors from H2, CO2, NH3, H2S and phosphate in modern cells, we find that 95-97% of these reactions are exergonic (ΔG ≤ 0 kJ⋅mol-1) at pH 7-10 and 80-100°C under nonequilibrium conditions with H2 replacing biochemical reductants. While 23% of the core's reactions involve ATP hydrolysis, 77% are ATP-independent, thermodynamically driven by ΔG of reactions involving carbon bonds. We identified 174 reactions that are exergonic by -20 to -300 kJ⋅mol-1 at pH 9 and 80°C and that fall into ten reaction types: six pterin dependent alkyl or acyl transfers, ten S-adenosylmethionine dependent alkyl transfers, four acyl phosphate hydrolyses, 14 thioester hydrolyses, 30 decarboxylations, 35 ring closure reactions, 31 aromatic ring formations, and 44 carbon reductions by reduced nicotinamide, flavins, ferredoxin, or formate. The 402 reactions of the biosynthetic core trace to the last universal common ancestor (LUCA), and reveal that synthesis of LUCA's chemical constituents required no external energy inputs such as electric discharge, UV-light or phosphide minerals. The biosynthetic reactions of LUCA uncover a natural thermodynamic tendency of metabolism to unfold from energy released by reactions of H2, CO2, NH3, H2S, and phosphate.