Удивительное открытие таинственных сгустков внутри наших клеток революционизирует наше понимание того, как устроена жизнь и как она зародилась.
В каждой клеточке нашего тела есть загадочные капельки. Чтобы разглядеть их нужен микроскоп и если присмотреться повнимательнее, то можно увидеть множество крошечных точек: некоторые из них неподвижны, другие движутся, как будто их уносит невидимый поток. Они выглядят твердыми, но на самом деле являются жидкими, и хотя они были обнаружены только в 2009 году, теперь мы знаем, что они выполняют множество важных функций. Если с ними что–то пойдет не так, это может привести к катастрофе - на самом деле, сбои в работе этих "сгустков" в мозге могут даже стать причиной болезни Альцгеймера. Хотя они и малочисленны, они необходимы для нашего выживания. Они также могут помочь объяснить одну из величайших загадок биологии. Проведенные за последнее десятилетие эксперименты показали, что эти капельки, возможно, сыграли решающую роль в возникновении жизни. Если это правда, то в наших клетках плавают остатки первой жизни на Земле.
В зависимости от того, с кем вы разговариваете, крошечные капли называются либо коацерватами, либо конденсатами (или иногда биомолекулярными конденсатами). Эти термины не совсем соответствуют друг другу, но различия незначительны и зависят от контекста. Если вы изучаете их in vitro, их обычно называют коацерватами; если они находятся в клетке, то их называют конденсатами. “По сути, они одинаковы”, - говорит Эван Спруйт, биофизик из Университета Радбоуд, Нидерланды.
В конце 19-го и начале 20-го веков был большой интерес к материалам, которые стирали границы между твердыми и жидкими веществами, таким как жидкие кристаллы и гели. Коацерваты были изучены в этом ключе, потому что, хотя они и являются жидкими, они удерживаются вместе таким образом, что напоминают твердое вещество. Термин "коацерваты" был введен в 1929 году двумя химиками, Хендриком Бунгенбергом де Йонгом и Хуго Круитом. Они изучали “феномен несмешивания”, при котором две жидкости, смешанные вместе, разделяются. Очевидным примером этого являются масло и вода, которые смешиваются только при интенсивном перемешивании. Дайте им отстояться, и они разделятся – сначала вы увидите капли масла в воде, а со временем все масло соберется в единый слой. Коацервация является менее строгой формой смешивания. При смешивании с водой длинноцепочечные молекулы, такие как белки или липиды, могут вместо этого собираться в капельки. “Они имеют сферическую форму, потому что все еще остаются жидкими”, - поясняет биофизик Дора Танг из Саарского университета в Германии. В отличие от капель масла в воде, которые на 100% состоят из масла, “внутри них все еще довольно много воды”.
Важнейшей особенностью коацерватов является то, что они очень просты по структуре. Живые клетки окружены мембраной, состоящей из двух слоев липидов, расположенных довольно точным образом. В отличие от них, у коацерватов нет внешней мембраны, поскольку молекулы расположены неравномерно. Танг сравнивает расположение молекул в коацервате с переваренными спагетти, нити которых могут слипаться. По ее словам, существует “граница раздела”, где внешние молекулы коацервата соприкасаются с окружающей водой, но “четкой мембраны нет”.
Сто лет назад советский ученый Александр Опарин предположил, что эти своеобразные маленькие капельки являются ключом к происхождению жизни. Вместе с биологом Дж. Б. С. Холдейном он был отцом-основателем научных исследований происхождения жизни. Опарин писал о том, как могла возникнуть первая жизнь, начиная с 1920-х годов, и в 1936 году опубликовал свой главный труд "Происхождение жизни на Земле". Он представил себе, какой могла быть Земля, когда она была молодой. В первых океанах, которые возникли в течение первых полумиллиарда лет после образования планеты, было растворено или смешано огромное количество химических веществ, от фрагментов горных пород и минералов до простых химических веществ на основе углерода, и все они начали вступать в реакцию друг с другом.
Планета превратилась в гигантскую химическую фабрику, на которой царил полный хаос. По мере образования все более сложных химических соединений вода превратилась в смесь, которую в конечном итоге окрестили “первичным бульоном”. Некоторые молекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, были крупными с молекулярной точки зрения. Но не все эти химические вещества оставались смешанными в воде. Некоторые из них выделялись, образуя коацерваты. Опарин смог указать на экспериментальные доказательства того, что белки легко это делают и предположил, что эти коацерваты были предшественниками клеток. Они были далеко не такими сложными и, вероятно, не такими стабильными, но это была первая попытка изучения возникновения живых организмов. “Опарин проводил большую концептуальную и экспериментальную работу с коацерватами вплоть до 1960-х годов”, - рассказывает Танг.
Однако затем эта идея отошла на второй план. Не было никаких свидетельств того, что коацерваты играют какую-то роль в живых клетках. “Если мы не видим их в повседневной биологии, то почему они должны иметь отношение к происхождению жизни?” - говорит Джоб Бокховен, молекулярный инженер из Мюнхенского технического университета в Германии. Между тем революция в молекулярной биологии, начавшаяся в 1950-х годах, выявила центральное значение таких нуклеиновых кислот, как ДНК и РНК, поэтому многие исследователи происхождения жизни стали одержимы идеей создания генетического материала, которая предполагает, что первая жизнь была создана из РНК. Аналогичным образом, открытие структуры клеточных мембран в 1970-х годах побудило других ученых попытаться создать простые мембраносвязанные “пузырьки”, которые могли бы служить первыми клетками. Другая исследовательская школа сосредоточилась на создании первичного метаболизма: химических реакций, которые строят и поддерживают клетки. Для исследователей происхождения жизни коацерваты стали историческим курьезом.
Ситуация изменилась только тогда, когда биологи узнали, что они все-таки играют ключевую роль в живых клетках. Открытие, изменившее правила игры, произошло в 2009 году, когда группа под руководством Энтони Хаймана из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка, Германия, изучила так называемые Р(пи) - гранулы, обнаруженные в клетках, участвующих в половом размножении. Несмотря на название, эти “гранулы”, как оказалось, ведут себя как жидкости. Исследование, проведенное другой группой в 2012 году, показало, что многие белки могут образовывать такие капли жидкости.
Теперь мы знаем, что они распространены в клетках повсеместно и имеют большое значение. Например, в ядрах наших клеток есть особая область, называемая ядрышком. Она производит рибосомы, которые являются молекулярными машинами, создающими все белки в наших клетках. Ядрышко представляет собой скопление коацерватов. Более того, оказывается, что коацерваты могут являться серьезной проблемой для здоровья. Во-первых, они являются ключевым фактором быстрого износа сердец, пожертвованных для трансплантации органов. Когда сердца охлаждают для их сохранения, некоторые молекулы образуют коацерваты. В таком состоянии они активируют рецепторы стресса, что приводит к воспалению и гибели клеток. В прошлом году исследователи использовали препарат, блокирующий образование этих коацерватов, и обнаружили, что сердца, обработанные таким образом, работали лучше.
Теперь мы также знаем, что эти сгустки играют ключевую роль в развитии рака – например, помогая активировать гены, способствующие развитию опухоли, и влияя на реакцию на противораковые препараты. Появляется все больше свидетельств того, что коацерваты также могут быть вовлечены в развитие болезни Альцгеймера. Белки, называемые амилоидами и тау-протеинами, образуют бляшки в головном мозге, которые связаны с нейродегенеративными симптомами. Ряд исследований показал, что амилоидные белки могут образовывать коацерваты, а это, в свою очередь, приводит к их слипанию.
Такое количество свидетельств о важности коацерватов в современных клетках и человеческом организме заставило некоторых исследователей происхождения жизни задуматься, а не был ли, в конце концов, прав Опарин. Вопросы были простыми: действительно ли коацерваты образуются спонтанно? И сколько различных биологических молекул может самособраться таким образом? “Прежде всего, мы обнаружили, что коацерваты очень легко образуются”, - говорит специалист по пребиотикам Клаудия Бонфио. Многие предыдущие исследования происхождения жизни были сосредоточены на везикулах, которые имеют внешнюю мембрану, окружающую водянистую сердцевину. По ее словам, их сложно изготовить, в то время как коацерваты просты.
Существует множество примеров того, как молекулы с длинной цепочкой образуют коацерваты, но в самом раннем первичном бульоне такие длинные молекулы были бы редкостью или вообще отсутствовали. Большинство молекул на основе углерода были бы маленькими. В 2021 году Спруйт и его группа доказали, что это не проблема. Они разработали миниатюрный белок, состоящий всего из четырех аминокислот, который может сам собираться в коацерваты. “Это открыло много возможностей”, - говорит он. По его словам, существуют правдоподобные сценарии при которых такие относительно простые молекулы могли бы образовываться самопроизвольно и быстро самоорганизоваться в коацерваты. В следующем году Спруйт и коллеги показали, что другой простой пептид, называемый олигоаргинином, обладает еще большей способностью образовывать коацерваты с любой из множества небольших молекул. "Трудно представить, что этого бы не произошло, если представить себе густой пребиотический суп, в котором могли содержаться все эти строительные элементы жизни", - отмечает Бонфио. По ее мнению, коацерваты, вероятно, начали формироваться очень рано, как только молекулы на основе углерода начали соединяться даже в относительно короткие цепочки.
Тем не менее, если эти коацерваты представляли собой не более чем пустые оболочки, то что они на самом деле могли сделать? Основная идея, восходящая к Опарину, заключается в том, что коацерваты - это способ создания внутренней среды. В отличие от разбавленного пребиотического супа снаружи, химические вещества внутри могут быть очень концентрированными. Соседние коацерваты также могут иметь различный состав. “Тогда вы сможете стимулировать реакции, производить больше молекул и получить большее разнообразие молекул в пребиотическом супе”, - говорит Танг. Таким образом, коацерваты могут способствовать усложнению химического состава, подталкивая неживой пребиотический бульон к зарождению жизни.
Одним из ключевых процессов зарождения жизни является объединение аминокислот в цепочки,то есть белки. В 2023 году группа Спруйта показала, что коацерваты, изготовленные из феррицианида – простого соединения на основе железа, которое, вероятно, было в пребиотическом супе, - могут стимулировать эту реакцию. Есть много других примеров. Например, в 2025 году Танг и ее коллеги показали, что важнейшая метаболическая реакция – превращение молекулы NAD+ в NADH – протекала в три раза быстрее в присутствии коацерватов по сравнению с полностью перемешанным раствором. Согласно анализу, опубликованному в марте этого года, такие результаты означают, что коацерваты являются не просто “пассивными структурами”, а “активными участниками” процесса зарождения и поддержания жизни.
О коацервата еще многое предстоит узнать. Хотя очевидно, что молекулы могут концентрироваться внутри них, мы не знаем основных закономерностей. Какие молекулы будут накапливаться больше других? У нас есть приблизительное представление, но мы не можем сказать, происходит ли это систематически. Точно так же коацерваты не всегда ускоряют химические реакции. “Они могут ускорять химические реакции, они могут замедлять химические реакции”, - говорит Танг. Все может застопориться, потому что внутренняя часть коацерватов очень вязкая, поэтому молекулы движутся медленнее, чем в воде. “И это повсеместно”, - говорит она. “Каковы же реальные правила?”.
Основная задача состоит в том, чтобы запустить некоторые из ключевых систем живых клеток, таких как генетика или метаболизм, внутри коацерватов. Танг показала, что некоторые РНК накапливаются в коацерватах на основе белка, создавая основу генетической системы. Она также создала коацерваты из смеси РНК и белков и обнаружила, что РНК может работать в них. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем коацерваты действительно начнут что-то делать с генетическим материалом, а не просто хранить его. “Существуют ли коацерваты, которые действительно помогают репликации РНК?”, - задается вопросом Танг.
Все живые клетки могут расти, получая питательные вещества, и размножаться путем деления. Могут ли коацерваты делать это? Группа теоретиков, предположила это в исследовании 2016 года. Их моделирование показало, что коацерваты могли бы расти и делиться, если бы у них был внешний источник энергии. Потребовалось четыре года, чтобы экспериментально доказать это. Исследователи создали коацерваты из РНК и белков и привели их в действие с помощью химического топлива, называемого EDC. Когда они удалили EDC, капли исчезли, но они снова появились при добавлении EDC. Более того, когда капли начинали разлагаться, они распадались на множество “дочерних” капель.
Далее группа Спруйта показала, что коацерваты могут расти при использовании простого топлива на основе углерода. Танг также обнаружила, что коацерваты могут делиться, если они находятся внутри пор нагретой породы, где их вытесняют пузырьки газа; такие поры были предложены в качестве колыбелей для зарождения жизни. По-видимому, существуют способы, с помощью которых коацерваты могут становиться более сложными внутри, пока не начнут больше походить на клетки. В одной капле может быть два или более “отсека”, каждый из которых обладает слегка отличающимися свойствами, которые привлекают различные химические вещества. Аналогичным образом, коацерваты можно подтолкнуть к формированию настоящих мембран, создающих более прочный барьер от внешнего мира. Исследование коацерватов, проведенное Танг в 2014 году, показало, что липиды внутри коацервата могут самостоятельно собираться в мембрану, которая затем выходит наружу и образует покрытие. Масштабное исследование, проведенное в 2024 году, показало, что простое опрыскивание водой коацерватов приводит к образованию прочных химических связей на их внешней поверхности.
Предстоит пройти долгий путь, поскольку исследовать коацерваты в лаборатории намного проще, чем настоящие живые клетки, но для исследователей, которые их изучают, их преимущество заключается в том, что они чрезвычайно упрощают вопрос о происхождении жизни. В этой области всегда велись споры "курица или яйцо" о том, какая часть жизни возникла первой: метаболизм, нуклеиновые кислоты или белки? “Я никогда не был большим поклонником теорий типа ”это было сначала, а это возникло потом", - говорит Спруйт. “Я думаю, прелесть коацерватов в том, что они могут объединить все эти разные миры или сценарии”. Это любопытный момент для исследователей происхождения жизни. Спустя сто лет после того, как Опарин предположил, что коацерваты могут быть ключом к разгадке, накапливаются доказательства того, что он был прав. Более того, ключ к разгадке был найден не в странных микробах, обитающих в морских глубинах, а в наших собственных клетках. Возможно, ключи к происхождению жизни всегда находились в наших телах.
