Примерно 4 миллиарда лет назад на Земле развивались условия, пригодные для жизни. Ученые, изучающие происхождение жизни, часто задаются вопросом, был ли тип химии, обнаруженный на ранней Земле, похож на то, что требуется для жизни сегодня. Они знают, что сферические скопления жиров, называемые протоклетками, были предшественниками клеток во время зарождения жизни. Но как простые протоклетки впервые возникли и развились, чтобы в конечном итоге привести к жизни на Земле?
Теперь ученые Scripps Research (США) обнаружили один вероятный путь формирования и химического развития протоклеток, обеспечивающий разнообразие функций.
Результаты, опубликованные в журнале Chem, предполагают, что химический процесс, называемый фосфорилированием (когда к молекуле добавляются фосфатные группы), мог произойти раньше, чем ожидалось ранее. Это приведет к появлению более структурно сложных двухцепочечных протоклеток, способных проводить химические реакции и делиться с разнообразным набором функциональных возможностей. Выяснив, как формировались протоклетки, ученые смогут лучше понять, как могла происходить ранняя эволюция.
«В какой-то момент мы все задаемся вопросом, откуда мы пришли. Теперь мы обнаружили вероятный способ, которым фосфаты могли быть включены в клеточные структуры раньше, чем считалось ранее, что закладывает строительные блоки для жизни», — говорит Раманарайан Кришнамурти из Scripps Research. «Это открытие поможет нам лучше понять химическую среду ранней Земли, чтобы мы могли раскрыть происхождение жизни и то, как жизнь могла развиваться на ранней Земле».
Кришнамурти и его команда изучают, как происходили химические процессы, приводящие к образованию простых химических веществ и образований, которые присутствовали до появления жизни на добиотической Земле. Кришнамурти также является соруководителем инициативы НАСА, исследующей то, как жизнь возникла в этих ранних средах.
В этом исследовании Кришнамурти и его команда сотрудничали с лабораторией биофизика мягкой материи Ашока Дениза, доктора философии, старшего автора-корреспондента и профессора кафедры интегративной структурной и вычислительной биологии Scripps Research. Они стремились выяснить, могли ли фосфаты участвовать в формировании протоклеток. Фосфаты присутствуют почти во всех химических реакциях в организме, поэтому Кришнамурти подозревал, что они могли присутствовать раньше, чем считалось ранее.
Ученые считали, что протоклетки образуются из жирных кислот, но было неясно, как протоклетки перешли от одноцепочечной к двойной цепочке фосфатов, что позволяет им быть более стабильными и проводить химические реакции.
Ученые хотели имитировать правдоподобные пребиотические условия — среду, существовавшую до возникновения жизни. Сначала они определили три вероятные смеси химических веществ, которые потенциально могут создавать везикулы — сферические структуры липидов, похожие на протоклетки.
Используемые химические вещества включали жирные кислоты и глицерин (обычный побочный продукт производства мыла, который, возможно, существовал на ранней Земле). Затем они наблюдали за реакциями этих смесей и добавляли дополнительные химикаты для создания новых смесей. Эти растворы охлаждали и снова нагревали в течение ночи, слегка встряхивая для ускорения химических реакций.
Затем они использовали флуоресцентные красители, чтобы проверить смеси и определить, произошло ли образование пузырьков. В некоторых случаях исследователи также варьировали pH и соотношение компонентов, чтобы лучше понять, как эти факторы влияют на образование везикул. Они также изучили влияние ионов металлов и температуры на стабильность везикул.
«Во время наших экспериментов везикулы смогли перейти из среды жирных кислот в среду фосфолипидов, что позволяет предположить, что подобная химическая среда могла существовать 4 миллиарда лет назад», — говорит соавтор исследования Сунил Пуллетикурти.
Оказывается, жирные кислоты и глицерин могли подвергнуться фосфорилированию, чтобы создать более стабильную двухцепочечную структуру. В частности, эфиры жирных кислот, полученные из глицерина, возможно, привели к образованию везикул с различной толерантностью к ионам металлов, температуре и pH — критический шаг в диверсификации эволюции.
«Мы обнаружили один вероятный путь возникновения фосфолипидов в ходе этого химического эволюционного процесса», — говорит Дениз. «Интересно узнать, как ранняя химия могла измениться, чтобы обеспечить жизнь на Земле. Наши результаты также намекают на богатство интригующей физики, которая, возможно, сыграла ключевую функциональную роль на пути к современным клеткам».
Далее ученые планируют изучить, почему некоторые пузырьки слились, а другие разделились, чтобы лучше понять динамические процессы протоклеток.
