Нове відкриття фосфоліпідів переписує історію походження життя

Недавнє відкриття нового фосфоліпіду скорочує прогалину в розумінні того, як первинні клітини виникли під час зародження життя. Приблизно 4 мільярди років тому на Землі створювалися умови, придатні для життя. Науковці з питань походження життя часто задаються питанням, чи був тип хімії, виявлений на ранній Землі, подібним до того, що вимагає життя сьогодні. Вони знають, що сферичні накопичення жирів, які називаються протоклітинами, були попередниками клітин під час появи життя. Але як прості протоклітини спочатку виникли та диверсифікувалися, щоб зрештою призвести до життя на Землі?

Тепер вчені Scripps Research виявили один вірогідний шлях того, як протоклітини могли спочатку сформуватися та хімічно прогресувати, щоб забезпечити різноманітність функцій.

Висновки, нещодавно опубліковані в журналі Chem, свідчать про те, що хімічний процес під назвою фосфорилювання (де фосфатні групи додаються до молекули) міг відбутися раніше, ніж очікувалося раніше. Це призведе до більш структурно складних протоклітин з подвійним ланцюгом, здатних проводити хімічні реакції та ділитися з різноманітними функціями. Розкриваючи, як утворилися протоклітини, вчені можуть краще зрозуміти, як могла відбуватися рання еволюція.

Будівельні блоки для життя

«У якийсь момент ми всі замислюємося, звідки ми взялися. Тепер ми виявили правдоподібний спосіб, згідно з яким фосфати могли бути включені в клітинні структури раніше, ніж вважалося раніше, що закладає будівельні цеглинки для життя», — говорить Раманараянан Крішнамурті, доктор філософії, співавтор і професор кафедра хімії Scripps Research. «Це відкриття допомагає нам краще зрозуміти хімічне середовище ранньої Землі, щоб ми могли відкрити походження життя та те, як життя може розвиватися на ранній Землі».

Крішнамурті та його команда вивчають, як відбувалися хімічні процеси, що викликали прості хімічні речовини та утворення, які були присутні до появи життя на добіотичній Землі. Крішнамурті також є співкерівником ініціативи НАСА, яка досліджує, як життя з’явилося в цих ранніх середовищах.

У цьому дослідженні Крішнамурті та його команда співпрацювали з лабораторією біофізика м’якої матерії Ашока Деніза, доктора філософії, співавтора та професора відділу інтегративної структурної та обчислювальної біології в Scripps Research. Вони намагалися дослідити, чи могли фосфати брати участь у формуванні протоклітин. Фосфати присутні майже в кожній хімічній реакції в організмі, тому Крішнамурті підозрював, що вони могли бути присутніми раніше, ніж вважалося раніше.

Вчені вважали, що протоклітини утворюються з жирних кислот, але було незрозуміло, як протоклітини перейшли від одного ланцюга до подвійного ланцюга фосфатів, що дозволяє їм бути більш стабільними та підтримувати хімічні реакції.

Експериментальне розуміння еволюції протоклітин

Вчені хотіли імітувати правдоподібні пребіотичні умови — середовища, які існували до появи життя. Вони вперше ідентифікували три ймовірні суміші хімічних речовин, які потенційно можуть створювати везикули, сферичні структури ліпідів, схожі на протоклітини. Використовувані хімічні речовини включали жирні кислоти та гліцерин (поширений побічний продукт виробництва мила, який міг існувати на ранній Землі). Потім вони спостерігали за реакцією цих сумішей і додавали додаткові хімікати для створення нових сумішей. Ці розчини охолоджували та нагрівали протягом ночі з деяким струшуванням для сприяння хімічним реакціям.

Потім вони використовували флуоресцентні барвники, щоб перевірити суміші та визначити, чи мало місце утворення везикул. У деяких випадках дослідники також змінювали pH і співвідношення компонентів, щоб краще зрозуміти, як ці фактори впливають на утворення везикул. Вони також розглянули вплив іонів металу та температури на стабільність везикул.

«Під час наших експериментів везикули змогли перейти від середовища жирної кислоти до середовища фосфоліпідів, що свідчить про те, що подібне хімічне середовище могло існувати 4 мільярди років тому», — каже перший автор Суніл Пуллетікурті, докторант у лабораторії Крішнамурті.

Виявилося, що жирні кислоти та гліцерин, можливо, піддалися фосфорилюванню для створення більш стабільної дволанцюгової структури. Зокрема, ефіри жирних кислот, отримані з гліцерину, могли призвести до везикул з різною толерантністю до іонів металів, температур і рН — критичний крок у диверсифікації еволюції.

«Ми виявили один вірогідний шлях, як фосфоліпіди могли з’явитися під час цього хімічного еволюційного процесу», — каже Деніз. «Це захоплююче дізнатися, як рання хімія могла змінитися, щоб уможливити життя на Землі. Наші висновки також натякають на безліч інтригуючих фізичних даних, які, можливо, зіграли ключову функціональну роль на шляху до сучасних клітин».

Далі вчені планують дослідити, чому одні везикули злилися, а інші розділилися, щоб краще зрозуміти динамічні процеси протоклітин.