Простые ингредиенты могут образовывать первые клеточные мембраны.
Чтобы жизнь возникла из первозданных компонентов Земли, ранним клеткам нужно было как-то сохранить свое содержимое, чтобы оно просто не улетучилось. Все современные клетки упаковывают свои внутренности в сложную двухслойную мембрану, состоящую из липидов, и ученые давно задаются вопросом, как эта структура возникла из простых молекул. Исследование, опубликованное на днях в журнале Nature Chemistry, предлагает новый вариант объяснения того, как короткие липиды могли породить первые клеточные мембраны. Результат «завораживает», - говорит биохимик Шереф Манси из Университета Тренто, не принимавший участия в исследовании. «Это открывает новый путь» к пониманию того, как появились первобытные клетки.
Сегодня основными компонентами большинства клеточных мембран являются сложные, тяжелые молекулы, называемые фосфолипидами. Первые клетки, вероятно, использовали более простые липиды, возможно, молекулы, известные как жирные кислоты. Они содержат цепочки атомов углерода, и варианты с 10 и более углеродами могут спонтанно объединяться в мембраны в лабораторных условиях. Но есть одна загвоздка: такие липиды, вероятно, были крайне редки на ранней Земле.
Химик-биолог Нил Деварадж из Калифорнийского университета 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 считают, что они могли быть более распространены на ранней Земле, чем их более крупные аналоги. Предыдущая работа лаборатории Девараджа показала, что аминокислота цистеин, которая, вероятно, также была распространена во времена молодости нашей планеты, может действовать как химический зажим, скрепляя определенные молекулы-предшественники вместе, чтобы получить липиды.
В новом исследовании ученые соединили цистеин с химическими родственниками жирных кислот, содержащих по восемь углеродов. Аминокислота вступала в реакцию с молекулами, образуя липиды с двумя хвостами - фосфолипиды в современных мембранах также имеют подобные двойные хвосты. Некоторые из этих липидов собрались в покрытые мембраной сферы, так называемые протоэлементы, сообщает исследовательская группа. Хотя эти пустые отсеки не являются клетками - в них отсутствует метаболизм и механизм наследственности, - они могут имитировать один из этапов клеточной эволюции. Более короткие родственники жирных кислот, содержащие только шесть или семь углеродов, не вызывали образования протоклеток, обнаружили авторы.
Исследователи заметили еще кое-что, что может иметь отношение к происхождению первых клеток: протоэлементы легко собирались на стеклянных покровных стеклах для микроскопов. Стекло содержит кремнезем, как и песок и некоторые виды глины, которые должны были присутствовать на первобытной Земле. Деварадж предполагает, что кремнезем в таких материалах мог аналогичным образом стимулировать формирование ранних мембран.
Мембраны протоклеток имели и другие сходства с мембранами настоящих клеток. Например, фосфолипиды в современных клеточных мембранах выстраиваются в двойной слой. Толщина мембран в протоклетках исследователей говорит о том, что липиды в них расположены аналогичным образом. Мембрана также удерживает важные молекулы внутри клетки, что, как показали ученые, присуще и протоклеткам.
Деварадж и его коллеги обнаружили, что мембраны их протоклеток способны выдерживать уровень ионов кальция и магния, которые, вероятно, присутствовали на первобытной Земле, что является ключевым атрибутом, поскольку ионы играют ключевую роль в функционировании РНК, которая могла служить самым ранним носителем генетической информации и первых ферментов. Когда исследователи оснастили протоэлементы современными типами РНК, которые действуют как ферменты, молекулы катализировали химические реакции внутри сфер.
Сара Маурер, астробиолог из Университета штата Коннектикут, изучающая происхождение жизни, говорит, что группа Девараджа заслуживает благодарности за создание липидов с двумя хвостами, подобных тем, что содержатся в современных клеточных мембранах, которые было трудно получить в других экспериментах по изучению происхождения мембран. По словам биохимика Роя Блэка из Вашингтонского университета, хотя в других исследованиях протоэлементы создавались из различных ингредиентов, новая работа предлагает «еще одно возможное решение, но я думаю, что это хорошее решение».
По мнению биохимика Клаудии Бонфио из Кембриджского университета, химия, которую провели исследователи, «очень, очень крутая и очень хорошо сделанная». Однако, добавляет она, липиды в мембранах протоклеток не встречаются в мембранах современных клеток, что вызывает вопрос: «Если эти липиды были раньше, то почему их нет сейчас?» По утверждению Манси, чтобы определить, соответствуют ли эти протоклетки тем, которые создали другие ученые, исследователям необходимо выяснить, могут ли они делиться, расти и даже осуществлять метаболические реакции. «Если они смогут запустить в них метаболический цикл, - отмечает он, - это будет еще более впечатляющим достижением».
