Ученые рассказали, как на Земле могли образоваться первые клетки

Примерно 4 миллиарда лет назад на Земле сформировались условия, подходящие для возникновения жизни. Ученые, изучающие истоки жизни, часто задаются вопросом о том, совпадает ли тип химии, обнаруженный в ранней истории Земли, с тем, что необходимо для существования жизни сегодня.

Они осведомлены о том, что протоклетки, сферические скопления жиров, считаются предшественниками клеток в процессе зарождения жизни. Но каким образом простейшие протоклетки появились и эволюционировали, чтобы в конечном итоге привести к появлению жизни на Земле?

Научные исследователи из Scripps Research (США) теперь обнаружили один из потенциальных механизмов образования и химического развития протоклеток, способствующий разнообразию их функций.

Результаты, опубликованные в журнале Chem, указывают на то, что химический процесс, известный как фосфорилирование (добавление фосфатных групп к молекуле), мог происходить раньше, чем предполагалось ранее. Этот процесс мог способствовать образованию более сложных двухцепочечных протоклеток, способных проводить химические реакции и имеющих разнообразный набор функциональных возможностей.

Понимание происхождения протоклеток поможет ученым лучше понять раннюю стадию эволюции.

"В какой-то момент мы все задумываемся о своем происхождении. Теперь мы обнаружили возможный путь включения фосфатов в клеточные структуры на более ранней стадии, чем считалось ранее, что является важным шагом в формировании жизни", — отмечает Раманарайан Кришнамурти из Scripps Research. "Это открытие поможет нам лучше понять химический контекст ранней Земли и раскрыть загадку происхождения жизни и ее эволюции".

Кришнамурти и его коллеги исследуют химические процессы, которые привели к появлению простых химических структур и образований до возникновения жизни на Земле. Кроме того, Кришнамурти является соучредителем программы НАСА, посвященной изучению происхождения жизни в ранних условиях.

В данном исследовании Кришнамурти и его команда сотрудничали с лабораторией биофизики мягкой материи Ашока Дениза, который является старшим автором и профессором интегративной структурной и вычислительной биологии в Scripps Research.

Их целью было выяснить, могли ли фосфаты играть роль в формировании протоклеток. Учитывая, что фосфаты присутствуют во многих химических реакциях в организмах, Кришнамурти предполагал, что они могли быть присутствовать на более ранней стадии.

Ученые предполагали, что протоклетки образуются из жирных кислот, но оставался вопрос о том, как они переходили от одноцепочечной к двухцепочечной структуре фосфатов, что делало их более стабильными и способными к химическим реакциям.

Исследователи стремились воссоздать реалистичные пребиотические условия — среду, существовавшую до появления жизни. Сначала они определили три потенциальные смеси химических веществ, которые могли порождать везикулы — сферические структуры липидов, напоминающие протоклетки.

Используя химические вещества, такие как жирные кислоты и глицерин (обычный побочный продукт при производстве мыла, который, вероятно, существовал на ранней Земле), они наблюдали за реакциями и вводили дополнительные химикаты для получения новых смесей. Эти смеси охлаждались и затем подогревались в течение ночи, иногда встряхивались для ускорения химических реакций.

После этого они использовали флуоресцентные красители, чтобы проверить образование везикул и оценить результаты. В некоторых случаях исследователи изменяли pH и соотношение компонентов для изучения влияния этих факторов на образование везикул. Они также изучали влияние металлических ионов и температуры на стабильность везикул.

"В ходе наших экспериментов везикулы переходили от окружения жирных кислот к окружению фосфолипидов, что дает основание предполагать, что подобная химическая среда могла существовать 4 миллиарда лет назад", — говорит соавтор исследования Сунил Пуллетикурти.

Оказалось, что фосфорилирование могло привести к образованию более стабильной двухцепочечной структуры из жирных кислот и глицерина. Эфиры жирных кислот, образованные из глицерина, могли способствовать образованию везикул с различной толерантностью к металлическим ионам, температуре и pH — что представляет собой важный шаг в разнообразии эволюции.

"Мы выявили один из вероятных путей образования фосфолипидов в процессе химической эволюции", — отмечает Дениз. "Это интересно, поскольку мы можем представить, как ранняя химия могла измениться, чтобы обеспечить жизнь на Земле. Наши результаты также указывают на богатство удивительной физики, которая, вероятно, сыграла ключевую роль в эволюции к современным клеткам".

Дальнейшие исследования направлены на изучение причин слияния и разделения некоторых везикул, чтобы лучше понять динамику процессов протоклеток.