Nowe badanie wskazuje, że woda deszczowa mogła pomóc wcześnie RNA Struktury rozwijają się w protokomórki, tworząc wokół nich bariery ochronne, pomagając w ich ewolucji w złożone formy życia.
Zasadniczym pytaniem dotyczącym pochodzenia życia jest to, w jaki sposób kropelki RNA unoszące się wokół pierwotnej zupy zamieniły się w chronione przez błonę pakiety życia, które nazywamy komórkami.
Teraz zespół badaczy z Uniwersytet w ChicagoSzkoła Inżynierii Molekularnej Pritzkera (UChicago PME), Wydział Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu w Houston i Wydział Chemii UChicago zaproponowały rozwiązanie.
W nowym opublikowanym badaniu Postęp naukibadacz ze stopniem doktora w PME na UChicago Aman Agrawal i jego współautorzy – w tym emerytowany dziekan UChicago PME Matthew Tirrell i biolog Jack Szostak, zdobywca Nagrody Nobla – pokazują, jak woda deszczowa mogła pomóc w stworzeniu siatkowej ściany wokół protokomórek 3,8 miliarda lat temu, co stanowiło krytyczny krok w procesie przejście od maleńkich koralików RNA do każdej bakterii, rośliny, zwierzęcia i człowieka, jakie kiedykolwiek żyły.
„To charakterystyczna i nowatorska obserwacja” – powiedział Tirrell.
Wyzwanie dotyczące stabilności protokomórki
Badanie dotyczy „kropelek koacerwatu” – naturalnie występujących przedziałów złożonych cząsteczek, takich jak białka, lipidy i RNA. Kropelki, które zachowują się jak krople oleju kuchennego w wodzie, od dawna uważane są za kandydatów na pierwsze protokomórki. Ale był problem. Nie chodziło o to, że te kropelki nie mogły wymieniać między sobą cząsteczek, co jest kluczowym krokiem w ewolucji, problem polegał na tym, że robiły to zbyt dobrze i zbyt szybko.
Każda kropla zawierająca nową, potencjalnie użyteczną mutację RNA sprzed życia zamieniłaby ten RNA na inne kropelki RNA w ciągu kilku minut, co oznacza, że szybko wszystkie stałyby się takie same. Nie byłoby zróżnicowania ani konkurencji – co oznacza brak ewolucji. A to oznacza brak życia.
„Jeśli cząsteczki stale wymieniają się pomiędzy kropelkami lub komórkami, wówczas wszystkie komórki po krótkim czasie będą wyglądać podobnie i nie będzie ewolucji, ponieważ w rezultacie powstaną identyczne klony” – powiedział Agrawal.
Wspólne badania i rola RNA
Życie jest z natury interdyscyplinarne, twierdzi Szostak, dyrektor UChicago’s Chicagowskie Centrum Początków Życiastwierdził, że naturalną rzeczą była współpraca zarówno z PME UChicago, interdyscyplinarną szkołą inżynierii molekularnej w UChicago, jak i wydziałem inżynierii chemicznej na Uniwersytecie w Houston.
„Inżynierowie badają chemię fizyczną tego typu kompleksów – i szerzej chemię polimerów – od długiego czasu. To logiczne, że w szkole inżynierskiej jest specjalistyczna wiedza” – stwierdził Szostak. „Kiedy patrzymy na coś takiego jak pochodzenie życia, jest to tak skomplikowane i składa się z tak wielu części, że potrzebujemy do zaangażowania ludzi, którzy mają jakiekolwiek odpowiednie doświadczenie”.
Na początku lat 2000Szostak zaczął postrzegać RNA jako pierwszy powstały materiał biologiczny. Rozwiązało to problem, który od dawna utrudniał badaczom przyglądanie się DNA lub białka jako najwcześniejsze cząsteczki życia.
„To jak problem z jajkiem kurzym. Co było pierwsze?” – powiedział Agrawal. „DNA to cząsteczka, która koduje informację, ale nie może pełnić żadnej funkcji. Białka to cząsteczki, które pełnią funkcje, ale nie kodują żadnych dziedzicznych informacji.
Badacze tacy jak Szostak wysunęli teorię, że na pierwszym miejscu był RNA, „zajmujący się wszystkim”, jak mówi Agrawal, z którego powoli ewoluują białka i DNA.
„RNA to cząsteczka, która podobnie jak DNA może kodować informacje, ale składa się również jak białka, dzięki czemu może również pełnić funkcje takie jak kataliza” – powiedział Agrawal.
Prawdopodobnym kandydatem na pierwszy materiał biologiczny był RNA. Krople koacerwatu były prawdopodobnymi kandydatami na pierwsze protokomórki. Krople koacerwatu zawierające wczesne formy RNA wydawały się naturalnym kolejnym krokiem.
Odkrycie stabilności RNA w wodzie deszczowej
Tak było do czasu, gdy Szostak nie polewał tej teorii zimną wodą, publikując w 2014 roku artykuł pokazujący, że RNA w kropelkach koacerwatu wymienia się zbyt szybko.
„Można wytwarzać wszelkiego rodzaju kropelki różnych typów koacerwatów, ale nie zachowują one swojej odrębnej tożsamości. Mają tendencję do zbyt szybkiej wymiany zawartości RNA. To problem, który istnieje od dawna” – powiedział Szostak. „W tym nowym artykule pokazaliśmy, że można przezwyciężyć przynajmniej część tego problemu, przenosząc kropelki koacerwatu do wody destylowanej – na przykład wody deszczowej lub dowolnego rodzaju wody słodkiej – dzięki czemu wokół kropelek powstaje rodzaj twardej powłoki, która ogranicza ich wymianę zawartości RNA.”
Łączenie inżynierii i biologii
Agrawal zaczął przenosić kropelki koacerwatu do wody destylowanej podczas jego badań doktoranckich na Uniwersytecie w Houston, badając ich zachowanie pod polem elektrycznym. W tym momencie badania nie miały nic wspólnego z pochodzeniem życia; po prostu studiował fascynujący materiał z inżynierskiego punktu widzenia.
„Inżynierowie, zwłaszcza zajmujący się chemią i materiałami, mają dobrą wiedzę na temat manipulowania właściwościami materiałów, takimi jak napięcie międzyfazowe, rola naładowanych polimerów, sól, kontrola pH itp.” – powiedział profesor Uniwersytetu w Houston Alamgir Karim, były promotor Agrawal i starszy współautor nowej pracy. „Są to wszystkie kluczowe aspekty świata popularnie zwanego„ płynami złożonymi ” – pomyśl o szamponie i mydle w płynie”.
Podczas swojego doktoratu Agrawal chciał zbadać inne podstawowe właściwości koacerwatów. Nie był to kierunek studiów Karima, ale Karim kilkadziesiąt lat wcześniej pracował na Uniwersytecie w Minnesocie pod kierunkiem jednego z czołowych ekspertów na świecie – Tirrella, który później został założycielem Szkoły Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzker.
Podczas lunchu z Agrawalem i Karimem Tirrell wspomniał, w jaki sposób badania nad wpływem wody destylowanej na kropelki koacerwatu mogą odnosić się do pochodzenia życia na Ziemi. Tirrell zapytał, gdzie 3,8 miliarda lat temu mogła istnieć woda destylowana.
„Spontanicznie powiedziałem: «Deszczówka!» Jego oczy się rozjaśniły i był bardzo podekscytowany tą sugestią” – powiedział Karim. „Można zatem powiedzieć, że był to spontaniczny wybuch idei lub ideacji!”
Tirrell przedstawił badania Agrawala dotyczące wody destylowanej Szostakowi, który niedawno dołączył do Uniwersytetu w Chicago, aby kierować inicjatywą nazywaną wówczas Inicjatywą Początki Życia. Zadał to samo pytanie, które zadał Karimowi.
„Powiedziałem mu: «Jak myślisz, skąd mogłaby pochodzić woda destylowana w świecie prebiotycznym?»” – wspomina Tirrell. „A Jack powiedział dokładnie to, co miałem nadzieję, że powie, czyli deszcz”.
Implikacje dla ewolucji prebiotycznej
Pracując z próbkami RNA pobranymi od Szostaka, Agrawal odkrył, że przeniesienie kropelek koacerwatu do wody destylowanej wydłuża skalę czasową wymiany RNA – z zaledwie minut do kilku dni. To wystarczyło na mutację, konkurencję i ewolucję.
„Jeśli populacja protokomórek jest niestabilna, będą one wymieniać między sobą swój materiał genetyczny i staną się klonami. Nie ma możliwości ewolucji darwinowskiej” – stwierdził Agrawal. „Ale jeśli ustabilizują się przed wymianą, tak że wystarczająco dobrze przechowują swoją informację genetyczną, przynajmniej przez kilka dni, aby mogły wystąpić mutacje w ich sekwencjach genetycznych, wówczas populacja może ewoluować”.
Początkowo Agrawal eksperymentował z wodą dejonizowaną, która jest oczyszczana w warunkach laboratoryjnych. „Skłoniło to recenzentów czasopisma do zapytania, co by się stało, gdyby prebiotyczna woda deszczowa była bardzo kwaśna” – powiedział.
Testowanie w świecie rzeczywistym i przyszłe kierunki
Komercyjna woda laboratoryjna jest wolna od wszelkich zanieczyszczeń, nie zawiera soli i ma neutralne pH doskonale zrównoważone pomiędzy zasadą i kwas. Krótko mówiąc, jest to mniej więcej tak daleko od warunków rzeczywistych, jak tylko może dotrzeć materiał. Musieli pracować z materiałem bardziej przypominającym prawdziwy deszcz.
„Po prostu zebraliśmy wodę z deszczu w Houston i przetestowaliśmy stabilność zawartych w niej kropelek, aby upewnić się, że nasze raporty są dokładne” – powiedział Agrawal.
W testach z rzeczywistą wodą deszczową i wodą laboratoryjną zmodyfikowaną tak, aby naśladować kwasowość wody deszczowej, uzyskano takie same wyniki. Powstały siateczkowe ściany, tworząc warunki, które mogły doprowadzić do życia.
Skład chemiczny deszczu spadającego nad Houston w latach 20. XXI wieku nie jest tym, który spadłby 750 milionów lat po uformowaniu się Ziemi i to samo można powiedzieć o modelowym systemie protokomórkowym testowanym przez Agrawal. Nowy artykuł dowodzi, że takie podejście polegające na budowaniu siateczkowej ściany wokół protokomórek jest możliwe i może współpracować w celu podziału cząsteczek życia, przybliżając badaczy niż kiedykolwiek do znalezienia odpowiedniego zestawu warunków chemicznych i środowiskowych, które umożliwiają ewolucję protokomórek.
„Cząsteczki, których użyliśmy do zbudowania tych protokomórek, to jedynie modele, dopóki nie zostaną znalezione bardziej odpowiednie cząsteczki jako substytuty” – powiedział Agrawal. „Chociaż chemia byłaby nieco inna, fizyka pozostanie taka sama”.
Odniesienie: „Czy wystawienie kropelek koacerwatu na deszcz uczyniło z nich pierwsze stabilne protokomórki?” autorzy: Aman Agrawal, Aleksandar Radakovic, Anusha Vonteddu, Syed Rizvi, Vivian N. Huynh, Jack F. Douglas, Matthew V. Tirrell, Alamgir Karim i Jack W. Szostak, 21 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn9657
