Ученые открывают новую химию, которая может помочь объяснить происхождение клеточной жизни

До того, как на Земле началась жизнь, среда, вероятно, содержала огромное количество химических веществ, которые реагировали друг на друга более или менее случайным образом, и неясно, как сложность клеток могла возникнуть из такого химического хаоса.

Теперь команда под руководством Тони З. Цзя из Токийского технологического института и Кухана Чандру из Национального университета Малайзии продемонстрировала, что простые α-гидроксикислоты, такие как гликолевая и молочная кислоты, самопроизвольно полимеризуются и самоорганизуются в полиэфирные микрокапельки, когда сушат при умеренных температурах с последующей регидратацией.

Это может быть то, что происходило на примитивных пляжах и берегах рек или в засушливых лужах. Они образуют новый тип клеточных компартментов, которые могут улавливать и концентрировать биомолекулы, такие как нуклеиновые кислоты и белки. Эти капли, в отличие от большинства современных клеток, способны легко сливаться и реформироваться, и, таким образом, могли содержать разносторонние ранние генетические и метаболические системы, потенциально важные для происхождения жизни.

Вся жизнь на Земле состоит из клеток. Клетки состоят из липидов, белков и нуклеиновых кислот, причем липид образует клеточную мембрану , оболочку, которая удерживает вместе другие компоненты и взаимодействует с окружающей средой, обменивая пищу и отходы. Насколько молекулярные сборки настолько сложны, насколько первоначально образовались клетки, остается загадкой.

Большинство исследований в области происхождения жизни фокусируется на том, как молекулы и структуры жизни были созданы средой, а затем собраны в структуры, которые привели к появлению первых клеток. Однако, вероятно, было много других типов молекул, которые образовались вместе с биомолекулами на ранней Земле, и возможно, что жизнь начала использовать очень простую химию, не связанную с современными биомолекулами, а затем эволюционировала через все более сложные стадии, чтобы привести к структурам, обнаруженным в современных клетках. ,

Предыдущая работа, проведенная в ELSI, показала, что сушка при умеренных температурах простых органических соединений, известных как альфа-гидроксикислоты, которые содержатся в метеоритах, и многие модели пребиологической химии самопроизвольно полимеризуют их в смеси длинных сложных полиэфиров. Опираясь на эту работу, Цзя и его коллеги сделали следующий шаг и изучили эти реакции под микроскопом, и обнаружили, что эти смешанные полиэфирные системы образуют гелевую фазу и самопроизвольно собираются при повторном увлажнении, образуя простые клеточные структуры.

Самым сложным аспектом этой работы было создание новых методов для характеристики свойств и функций капель, так как никто раньше не анализировал такие системы. Цзя отметил, что команде повезло иметь такой разнообразный междисциплинарный опыт, включая химиков, биохимиков, материаловедов и геологов. После определения их состава и демонстрации их склонности к самосборке, следующий вопрос заключался в том, могут ли эти клеточные структуры сделать что-то химически полезное. Современные клеточные мембраны выполняют многие важные функции, которые помогают поддерживать клетку, например, удерживая макромолекулы и метаболиты в одном месте, а также обеспечивают постоянную внутреннюю среду, которая может сильно отличаться от среды вне клетки. Сначала они измерили, насколько стабильными были эти структуры, и обнаружили, что они могут сохраняться в течение очень длительных периодов в зависимости от условий окружающей среды, но также могут быть объединены и объединены.

Затем они проверили способность этих структур отделять молекулы от окружающей среды и обнаружили, что они в значительной степени накапливали большие молекулы красителя. Затем они показали, что эти капли могут также содержать молекулы РНК и белка и все еще позволяют им быть функционально каталитическими. Кроме того, команда показала, что капли могут помочь в формировании липидного слоя на их поверхности, предполагая, что они могли бы помочь в формировании протоклеток каркаса.

Цзя и его коллеги не уверены, что эти структуры являются прямыми предками клеток, но считают, что такие капли могли бы позволить собирать протоклетки на Земле. Они обнаружили, что новая система разделения, которую они обнаружили, чрезвычайно проста и может легко сформироваться в примитивных средах по всей вселенной. Цзя говорит: «Это позволяет нам представить небиологические системы на ранней Земле, которые все еще могли бы оказать влияние на происхождение жизни. Это говорит о том, что может быть много других небиологических систем, которые должны стать целью будущих исследований такого типа «. Он считает, что разработка этих или подобных модельных систем может позволить лучше изучить эволюцию разнообразных химических систем, представляющих сложные химические составы, которые могут быть обнаружены на примитивных планетных телах.

«Ранняя Земля, безусловно, была химически грязным местом, - объясняет Цзя, - и часто большинство исследований жизненных процессов фокусируется на современных биомолекулах в относительно «чистых» условиях. Возможно, важно взять эти «грязные» смеси и посмотреть, есть ли интересные функции или структуры, которые могут возникать из них самопроизвольно ". Авторы теперь думают, что, систематически увеличивая химическую сложность таких систем, они смогут наблюдать, как они развиваются со временем, и, возможно, обнаруживать расходящиеся и возникающие свойства.

«У нас есть эта новая экспериментальная система, с которой мы теперь можем играть, поэтому мы можем начать изучать такие явления, как эволюция и эволюционируемость этих капель. Возможные комбинации структур или функций, которые могли бы иметь эти капли, практически бесконечны. Если физические правила, управляющие образование капель достаточно универсально по своей природе, поэтому мы надеемся изучить подобные системы, чтобы выяснить, могут ли они также образовывать микрокапли с новыми свойствами », - добавляет Цзя.

Наконец, хотя команда в настоящее время сосредоточена на понимании происхождения жизни , они отмечают, что это фундаментальное исследование может найти применение в других областях, например, в сфере доставки лекарств и персонализированной медицины.

«Это просто прекрасный пример того, как могут развиваться проекты, когда команда ученых из разных стран мира собирается вместе, чтобы попытаться понять новые и интересные явления», - сказал член команды Джим Кливс, также из ELSI.