Исследователи открыли новый биохимический путь, объясняющий, как могли образоваться и эволюционировать первые протоклетки на Земле, чтобы стать биологически функциональными. Эти структуры могли формироваться, стабилизироваться и участвовать в сложных химических реакциях благодаря процессу фосфорилирования. Хотя ранее считалось, что фосфорилирование появилось только позднее, в современных клетках, эти результаты свидетельствуют о гораздо более примитивном появлении этого процесса.
Около 4 миллиардов лет назад на Земле сложились условия, которые позволили сформироваться первым протоклеткам. Это были совокупности молекул, заключенных в зачаточные фосфолипидные везикулы, которые в процессе эволюции дали начало первым функциональным клеткам. Поэтому образование везикулярных мембран считается важным этапом в появлении протоклеток и их химической эволюции.
Однако условия, приводящие к появлению этих протоклеток и их переходу в сложные, функциональные клетки, остаются во многом неизвестными. В прошлом было высказано предположение, что протоэлементы образуются из короткоцепочечных жирных кислот. В частности, предыдущие эксперименты показали, что эти молекулы могут образовывать везикулы однородного состава, способные инкапсулировать множество других молекул, расти и делиться. Однако полученные структуры были ограничены с точки зрения функциональности и стабильности.
В своем новом исследовании, подробно описанном в журнале , ученые из Исследовательского института Скриппса предлагают новый биохимический путь, который мог привести к появлению протоклеток, переходящих от одноцепочечной мембраны к двухцепочечной фосфолипидной мембране. Этот переход позволил бы им стать достаточно стабильными для проведения сложных химических реакций, подобно современным клеткам.
"Мы обнаружили правдоподобный способ, с помощью которого фосфаты могли быть включены в клеточные структуры раньше, чем считалось ранее, заложив основы жизни", — объясняет Раманараянан Кришнамурти, соавтор исследования, в пресс-релизе Исследовательского института Скриппса. "Это открытие помогает нам лучше понять химическую среду первобытной Земли, что позволит нам узнать о происхождении жизни и о том, как она могла развиваться на первобытной Земле", — добавляет он.
Везикулы, способные делиться и сливаться
В своих экспериментах ученые из нового исследования попытались определить, могли ли фосфаты участвовать в формировании протоклеток. Ранее предполагалось, что амфифильные молекулы (имеющие как гидрофильную, так и липофильную части), подобные современным фосфолипидам, вряд ли были доступны самым ранним формам клеточной жизни. Поэтому считалось, что мембрана примитивных клеток могла быть сформирована только из более простых амфифильных соединений, таких как короткоцепочечные жирные кислоты.
Однако недавние исследования показали, что длинноцепочечные фосфолипиды могут быть совместимы с пребиотической средой. С другой стороны, учитывая, что фосфаты присутствуют почти в каждой химической реакции, поддерживающей каждый живой организм на Земле, команда авторов нового исследования подозревает, что они могли появиться в наших клетках раньше, чем считалось ранее.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи создали условия, в которых сосуществовали пребиотические соединения, в частности жирные кислоты и глицерин (соединение, широко используемое в производстве мыла). Затем они вызвали реакции фосфорилирования, добавляя различные химические предшественники, в циклических температурных условиях (имитирующих условия первобытной Земли). Кроме того, несколько раз менялись pH и соотношение различных соединений. Эксперты также добавляли ионы металлов и изменяли температуру реакции, чтобы наилучшим образом отобразить колебания условий первобытной Земли. Для обнаружения образования везикул использовались флуоресцентные маркеры.
Эксперты обнаружили, что жирные кислоты и глицерин подверглись фосфорилированию, в результате чего образовалась стабильная двухцепочечная структура циклических фосфолипидов. В результате получился целый ряд везикул с различной морфологией, а также с различной устойчивостью к ионам металлов, температуре и pH. "В ходе наших экспериментов везикулы могли переходить из среды жирных кислот в среду фосфолипидов, что позволяет предположить, что подобная химическая среда могла существовать 4 миллиарда лет назад", — объясняет ведущий автор исследования Сунил Пуллетикурти, постдокторант из лаборатории Кришнамурти.
Кроме того, некоторые везикулы имели состав, характерный для протоклеток, и были биологически значимыми. Кроме того, они вызывали химические реакции, в ходе которых одни расщеплялись, а другие сливались. В качестве следующего шага исследователи планируют продолжить изучение этих реакций.
Видео, демонстрирующее структуру полученных везикул: