Происхождение сложных биологических структур
Глядя на жизнь сегодня, трудно представить, как сложные биологические процессы и структуры могли развиться из простых строительных блоков. Все клеточные процессы и реакции кажутся тесно взаимозависимыми и обязательно происходят внутри клеточной мембраны. Не известен ни один организм, который бы отклонялся от этого правила. Но как это произошло?
Проблема курицы и яйца
Как формируется клеточная мембрана без метаболизма? Или, наоборот, как возникает метаболизм без клеточной мембраны? Эта классическая проблема курицы и яйца рассматривается в исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics группой учёных под руководством профессора LMU Дитера Брауна.
Простой физический механизм
В своей статье исследователи показывают, что простой тепловой поток через тонкие, заполненные водой поры может накапливать разнообразные молекулы с разными химическими и физическими свойствами и позволять им взаимодействовать и вступать в реакции в ограниченном пространстве даже при отсутствии клеточной мембраны.
В этой очень простой протоклетке есть тепловой градиент, который берёт на себя функции клеточной мембраны, но пока нет физической границы между реакцией и разбавленной водой.
«Наши исследования показывают, что этот простой физический механизм, который был бы очень распространён на ранней Земле, может выполнять многие функции, для которых обычно требуется клеточная мембрана», — говорит главный исследователь исследования Дитер Браун. Результаты предполагают, что нагретые каменные поры могли быть естественной средой, в которой возникли биологические клетки.
Экспериментальная установка
Когда температурный градиент прикладывается к тонкой, заполненной водой поре, большинство разбавленных молекул накапливается у дна поры, в сторону холодной стороны. Команда смоделировала эту среду в лаборатории, используя специально изготовленные камеры, состоящие из тонкого слоя воды, зажатого между оптически прозрачными пластинами.
Для эксперимента исследователи проверили условия, при которых вырабатывается так называемый суперфолдер зелёного флуоресцентного белка (sfGFP). Смесь в камерах содержала более 100 различных компонентов, начиная от аминокислот и нуклеотидов — строительных блоков белков и РНК — до рибосом и полимераз — высокоспециализированных молекулярных машин, присутствующих во всех живых организмах.
«Когда разбавление слишком велико, реакция становится неактивной и не может производить маркерный белок», — говорит Браун. Однако при инкубации в «тепловой камере» компоненты накапливаются до достаточного уровня, чтобы реакция могла начаться и синтезировать sfGFP.
«Хотя экспериментальная установка в настоящее время ограничена физическими параметрами камеры, а также разницей температур, которую можно достичь, это не было бы проблемой на ранней Земле, где повсеместное присутствие заполненных водой пор всех форм и размеров обеспечивало бы большое разнообразие с точки зрения пробиотических реакционных контейнеров», — говорит Александр Флорони, ведущий автор статьи.
Выводы
Результаты дают новое представление о возможности метаболизма до инкапсуляции в мембраны и возникновения клеточной жизни. Кроме того, они предлагают новые подходы к биотехнологии для создания синтетических живых существ в лаборатории.
«До сих пор создание синтетической клетки, которая питается через мембрану и осуществляет деление клеток для роста, было серьёзным препятствием», — объясняет Браун. «Наше исследование показывает, как мы могли бы обойти это препятствие в будущем».
Предоставлено
Людвиг-Максимилиановский университет Мюнхена