Для того, чтобы жизнь возникла из первичных ингредиентов Земли, ранним клеткам нужен был какой-то способ удержать свое содержимое от простого уноса. Все современные клетки упаковывают свои внутренности в сложную двухслойную мембрану из липидов, и ученые долгое время задавались вопросом, как эта структура впервые объединилась из простых молекул. Исследование, опубликованное в Nature Chemistry, предлагает новый рецепт, объясняющий, как короткие липиды могли породить первые клеточные мембраны .
«Результат — захватывающий», — говорит биохимик Шереф Мэнси из Университета Тренто, не принимавший участия в исследовании. «Это открывает новые возможности» для понимания того, как появились первичные клетки.
Сегодня основными компонентами большинства клеточных мембран являются сложные, тяжелые молекулы, называемые фосфолипидами. Первые клетки, вероятно, полагались на более простые липиды, возможно, молекулы, известные как жирные кислоты. Они содержат цепочки атомов углерода, и версии с 10 или более атомами углерода могут спонтанно объединяться в мембраны в лабораторных условиях. Но есть одна загвоздка: такие липиды, вероятно, были чрезвычайно редки на ранней Земле.
Химический биолог Нил Деварадж из Калифорнийского университета в Сан-Диего и его коллеги задались вопросом, есть ли способ заставить более короткие жирные кислоты также образовывать мембраны. Эти молекулы были обнаружены в метеоритах, поэтому некоторые исследователи полагают, что на ранней Земле их могло быть больше, чем их более крупных собратьев. Предыдущая работа лаборатории Девараджа показала, что аминокислота цистеин, которая также, вероятно, была распространена в молодости нашей планеты, может действовать как химический зажим, скрепляя определенные молекулы-предшественники вместе, чтобы получить липиды.
В новом исследовании ученые объединили цистеин с химическими родственниками жирных кислот, содержащими по восемь атомов углерода. Аминокислота вступила в реакцию с молекулами, образовав липиды с двумя хвостами — фосфолипиды в современных мембранах также имеют похожие двойные хвосты. Некоторые из этих липидов собрались в покрытые мембраной сферы, известные как протоклетки, сообщает команда. Хотя пустые отсеки не являются клетками — у них отсутствует метаболизм и механизм наследственности, среди прочих атрибутов — они могут имитировать стадию клеточной эволюции. Более короткие родственники жирных кислот, которые содержали только шесть или семь атомов углерода, не индуцировали протоклетки, обнаружила команда.
Исследователи заметили еще кое-что, что может иметь отношение к происхождению первых клеток: протоклетки легко собирались на покровных стеклах для микроскопических слайдов. Стекло содержит кремний, как и песок и некоторые виды глины, которые могли присутствовать на первичной Земле. Деварадж предполагает, что кремний в таких материалах мог аналогичным образом спровоцировать образование ранних мембран.
Мембраны протоклеток продемонстрировали и другие сходства с мембранами настоящих клеток. Например, фосфолипиды в современных клеточных мембранах выстраиваются в двойной слой. Толщина мембран в протоклетках исследователей предполагает, что липиды приняли такое же расположение. Мембрана также загоняет важные молекулы в клетку, способность, которую, как показали ученые, имеют и протоклетки.
Деварадж и коллеги обнаружили, что мембраны их протоклеток могли выдерживать уровни ионов кальция и магния, вероятно, присутствующие на первичной Земле, что является ключевым атрибутом, поскольку ионы являются ключевыми для функции РНК, которая могла служить самым ранним носителем генетической информации и первыми ферментами. Когда исследователи снабдили протоклетки типами современных РНК, которые действуют как ферменты, молекулы катализировали химические реакции внутри сфер.
Сара Маурер, астробиолог из Центрального государственного университета Коннектикута, изучающая происхождение жизни, говорит, что команда Девараджа заслуживает похвалы за создание двуххвостых липидов, подобных тем, что есть в современных клеточных мембранах, которые было трудно получить в других экспериментах по происхождению мембран. Хотя другие исследования создавали протоклетки из разных ингредиентов, биохимик Рой Блэк из Вашингтонского университета говорит, что новая работа предлагает «еще одно возможное решение, но я думаю, что оно хорошее».
Химия, которую провели исследователи, «действительно, действительно крутая и очень хорошо сделанная», говорит биохимик Клаудия Бонфио из Кембриджского университета. Однако, добавляет она, липиды в мембранах протоклеток не встречаются в современных клеточных мембранах, что поднимает вопрос: «Если эти липиды там были, почему их нет сейчас?»
Чтобы определить, соответствуют ли эти протоклетки тем, что создали другие ученые, говорит Мэнси, исследователям нужно определить, могут ли они делиться, расти и даже проводить метаболические реакции. «Если они смогут запустить метаболический цикл внутри этих штук», — отмечает он, это будет еще более впечатляющим достижением.
