Жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет назад, когда первые клетки сформировались в первичном бульоне из сложных, богатых углеродом химических соединений.
Эти клетки столкнулись с химической загадкой. Им нужны были определенные ионы из супа, чтобы выполнять основные функции. Но эти заряженные ионы разрушили бы простые мембраны, инкапсулирующие клетки.
Группа исследователей из Вашингтонского университета решила эту загадку, используя только те молекулы, которые присутствовали на ранней Земле. Используя заполненные жидкостью отсеки размером с клетку, окруженные мембранами из молекул жирных кислот, команда обнаружила, что аминокислоты, строительные блоки белков, могут стабилизировать мембраны против ионов магния. Их результаты подготовили почву для того, чтобы первые клетки начали кодировать свою генетическую информацию в РНК, молекуле, связанной с ДНК, для производства которой требуется магний, сохраняя при этом стабильность мембраны..
Выводы, опубликованные 12 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences, выходят за рамки объяснения того, как аминокислоты могли стабилизировать мембраны в неблагоприятных условиях. Они также демонстрируют, как отдельные строительные блоки клеточных структур - мембраны, белки и РНК - могли совместно локализоваться в водной среде на древней Земле.
«Клетки состоят из очень разных типов структур с совершенно разными типами строительных блоков, и никогда не было ясно, почему они объединяются функциональным образом», - сказал соавтор Рой Блэк, Филиал UW, профессор химии и биоинженерии.«Предполагалось, что каким-то образом они действительно сошлись».
Блэк пришел в UW после карьеры в Amgen, чтобы получить возможность заполнить важные недостающие детали, скрывающиеся за этим «каким-то образом». Он объединился с Сарой Келлер, профессором химии UW и экспертом по мембранам. Блэк был вдохновлен наблюдением, что молекулы жирных кислот могут самособираться с образованием мембран, и предположил, что эти мембраны могут действовать как благоприятная поверхность для сборки строительных блоков РНК и белков..
«Вы можете представить различные типы молекул, движущихся в первозданном бульоне, как пушистые теннисные мячи и твердые мячи для сквоша, подпрыгивающие в большой коробке, которую встряхивают», - сказал Келлер, который также является соавтором по корреспонденции. бумага. «Если вы выстелите одну поверхность внутри коробки липучкой, то только теннисные мячи будут прилипать к этой поверхности, и в конечном итоге они окажутся близко друг к другу. Рой понял, что локальная концентрация молекул может быть увеличена с помощью аналогичного механизма."
Команда ранее показала, что строительные блоки РНК предпочтительно прикрепляются к мембранам жирных кислот и, что удивительно, также стабилизируют хрупкие мембраны от вредного воздействия соли, распространенного соединения на Земле в прошлом и настоящем.
Команда предположила, что аминокислоты могут также стабилизировать мембраны. Они использовали различные экспериментальные методы, включая световую микроскопию, электронную микроскопию и спектроскопию, чтобы проверить, как 10 различных аминокислот взаимодействуют с мембранами. Их эксперименты показали, что некоторые аминокислоты связываются с мембранами и стабилизируют их. Некоторые аминокислоты даже вызывали большие структурные изменения в мембранах, такие как формирование концентрических сфер мембран - очень похожих на слои луковицы.
«Аминокислоты не только защищали везикулы от разрушения ионами магния, но и создавали многослойные везикулы, подобные вложенным мембранам», - говорит ведущий автор Кейтлин Корнелл, докторант Университета Вашингтона на химическом факультете.
Исследователи также обнаружили, что аминокислоты стабилизируют мембраны посредством изменения концентрации. Некоторые ученые выдвинули гипотезу, что первые клетки могли образоваться в неглубоких бассейнах, которые прошли через циклы высоких и низких концентраций аминокислот по мере испарения воды и притока новой воды.
Новые данные о том, что аминокислоты защищают мембраны, а также предыдущие результаты, показывающие, что строительные блоки РНК могут играть аналогичную роль, указывают на то, что мембраны могли быть местом для совместной локализации этих молекул-предшественников, обеспечивая потенциальную механизм, чтобы объяснить, что собрало ингредиенты для жизни.
Келлер, Блэк и их команда обратят свое внимание на то, как совместно локализованные строительные блоки сделали нечто еще более замечательное: они связались друг с другом, чтобы сформировать функциональные машины.
"Это следующий шаг", - сказал Блэк.
Их постоянные усилия также направлены на установление связей между дисциплинами в UW.
«Вашингтонский университет - необычайно хорошее место для открытий из-за энтузиазма научного сообщества в совместной работе для обмена оборудованием и идеями между отделами и областями», - сказал Келлер. «Наше сотрудничество с Drobny Lab и Lee Lab было очень важно. Ни одна лаборатория не могла бы сделать все это».