Мало какой вопрос увлекал человечество больше, чем вопрос о происхождении жизни на Земле. Как появились первые живые клетки? Как эти ранние протоклетки развили структурные мембраны, необходимые для того, чтобы клетки процветали и собирались в сложные организмы?
Новое исследование из лаборатории профессора химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего Нила Девараджа обнаружило правдоподобное объяснение, включающее реакцию между двумя простыми молекулами. Эта работа опубликована в Nature Chemistry.
Жизнь на Земле требует липидных мембран — структуры клетки, которая вмещает ее внутреннюю механику и действует как каркас для многих биологических реакций. Липиды состоят из длинных цепей жирных кислот, но до появления сложной жизни, как эти первые клеточные мембраны образовались из простых молекул, присутствовавших на Земле миллиарды лет назад?
Ученые полагают, что простые молекулы коротких жирных цепей с менее чем 10 связями углерод-углерод (сложные жирные цепи могут иметь почти вдвое больше связей) были в изобилии на ранней Земле. Однако молекулы с более длинными цепями необходимы для формирования везикул, отсеков, в которых размещается сложный аппарат клетки.
Хотя некоторые простые жировые молекулы могли бы самостоятельно образовывать липидные компартменты, эти молекулы были бы необходимы в очень высоких концентрациях, которые, вероятно, не существовали на пребиотической Земле — в то время, когда условия на Земле могли быть благоприятными для жизни, но ее еще не было.
«На первый взгляд, это может показаться не новым, поскольку производство липидов происходит в присутствии ферментов все время», — заявил Деварадж. «Но более четырех миллиардов лет назад не было никаких ферментов. Тем не менее, каким-то образом образовались эти первые протоклеточные структуры. Как? Это вопрос, на который мы пытались ответить».
Чтобы найти объяснение этим первым липидным мембранам, команда Девараджа начала с двух простых молекул: аминокислоты цистеина и короткоцепочечного тиоэфира холина, похожего на молекулы, участвующие в биохимическом образовании и деградации жирных кислот.
Исследователи использовали кварцевое стекло в качестве минерального катализатора, поскольку отрицательно заряженный кремний притягивался к положительно заряженному тиоэфиру. На поверхности кремния цистеин и тиоэфиры спонтанно реагировали, образуя липиды, генерируя мембранные везикулы, подобные протоклеткам, достаточно стабильные для поддержания биохимических реакций. Это происходило при более низких концентрациях, чем те, которые были бы необходимы при отсутствии катализатора.
«Часть нашей работы — это попытка понять, как жизнь может возникнуть в отсутствии жизни. Как изначально произошел этот переход от материи к жизни?» — сказал Деварадж. «Здесь мы предоставили одно из возможных объяснений того, что могло произойти».
