Nowe badania oferują potencjalne wyjaśnienie powstawania wczesnych protokomórek ziemskich.
Niewiele pytań fascynowało ludzkość bardziej niż tajemnica pochodzenia życia na Ziemi. Jak powstały pierwsze żywe komórki? W jaki sposób te wczesne protokomórki rozwinęły błony strukturalne niezbędne do rozwoju i ostatecznego łączenia się w złożone organizmy?
Nowe badania przeprowadzone w laboratorium Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, profesor chemii i biochemii Neal Devaraj, odkryły wiarygodne wyjaśnienie obejmujące reakcję pomiędzy dwiema prostymi cząsteczkami. Praca ta pojawia się w Chemia Przyrody.
Rola błon lipidowych w życiu
Życie na Ziemi wymaga błon lipidowych – struktury komórki, w której mieści się jej wewnętrzna mechanika i która działa jako rusztowanie dla wielu reakcji biologicznych. Lipidy zbudowane są z długich łańcuchów kwasów tłuszczowych, ale w jaki sposób przed pojawieniem się złożonego życia te pierwsze błony komórkowe utworzyły się z prostych cząsteczek obecnych na Ziemi miliardy lat temu?
Naukowcy uważają, że proste cząsteczki o krótkich łańcuchach tłuszczowych zawierających mniej niż 10 wiązań węgiel-węgiel (złożone łańcuchy tłuszczowe mogą mieć prawie dwa razy więcej wiązań) były liczne na wczesnej Ziemi. Jednakże cząsteczki o dłuższych łańcuchach są niezbędne do tworzenia pęcherzyków – przedziałów, w których mieści się skomplikowana maszyneria komórki.
Film poklatkowy z mikroskopii fluorescencyjnej pokazujący tworzenie się pęcherzyków (zdjęcia robiono co 2 minuty przez 4 godziny). Źródło: laboratorium Neala Devaraja / Uniwersytet Kalifornijski w San Diego
Chociaż niektóre proste cząsteczki tłuszczu mogły samodzielnie tworzyć przedziały lipidowe, cząsteczki te byłyby potrzebne w bardzo wysokich stężeniach, które prawdopodobnie nie występowały na prebiotycznej Ziemi – w czasach, gdy warunki na Ziemi mogły być sprzyjające dla życia. ale żaden jeszcze nie istniał.
„Na pozór może to nie wydawać się nowatorskie, ponieważ produkcja lipidów zachodzi przez cały czas w obecności enzymów” – stwierdził Devaraj, który jest także kierownikiem katedry chemii i biochemii Murraya Goodmana. „Ale ponad cztery miliardy lat temu nie było enzymów. Jednak w jakiś sposób powstały te pierwsze struktury protokomórek. Jak? Oto pytanie, na które staraliśmy się odpowiedzieć.”
Przełomowe odkrycie: tworzenie lipidów bez enzymów
Aby odkryć wyjaśnienie tych pierwszych błon lipidowych, zespół Devaraja zaczął od dwóch prostych cząsteczek: grupy aminowej kwas o nazwie cysteina i krótkołańcuchowy tioester choliny, podobny do cząsteczek biorących udział w biochemicznym tworzeniu i degradacji kwasów tłuszczowych.
Naukowcy wykorzystali szkło krzemionkowe jako katalizator mineralny, ponieważ ujemnie naładowana krzemionka została przyciągnięta do dodatnio naładowanego tioestru. Na powierzchni krzemionki cysteina i tioestry spontanicznie reagowały, tworząc lipidy, tworząc pęcherzyki błonowe podobne do protokomórek, wystarczająco stabilne, aby podtrzymać reakcje biochemiczne. Stało się to przy niższych stężeniach niż te, które byłyby potrzebne w przypadku braku katalizatora.
„Częścią naszej pracy jest próba zrozumienia, w jaki sposób życie może pojawić się w przypadku jego braku. Jak początkowo nastąpiło to przejście z materii w życie?” powiedział Devaraj. „Podajemy jedno możliwe wyjaśnienie tego, co mogło się wydarzyć”.
Odniesienie: „Protokomórki przez spontaniczną reakcję cysteiny z krótkołańcuchowymi tioestrami” Christy J. Cho, Taeyang An, Yei-Chen Lai, Alberto Vázquez-Salazar, Alessandro Fracassi, Roberto J. Brea, Irene A. Chen i Neal K. Devaraj, 30 października 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01666-y
Badania te były częściowo wspierane przez National Science Foundation (EF-1935372) i Narodowe Instytuty Zdrowia (R35-GM141939).
