Moderne Zellen sind die Überflieger der biologischen Welt – innere Gerüste, streng kontrollierte chemische Prozesse und eine genetische Bedienungsanleitung für alles. Aber die frühesten zellähnlichen Strukturen? Sie waren im Grunde fettige Bläschen mit Größenwahn. Zu verstehen, wie sich diese einfachen Protozellen zu den komplexen Zellmaschinen entwickelten, die wir heute sehen, ist ein zentraler Kopfschmerz in der Ursprungsforschung des Lebens.
Eine aktuelle Studie des Earth-Life Science Institute (ELSI) am Institute of Science Tokyo beschloss, mit dem Rätseln aufzuhören und mit dem Einfrieren zu beginnen. Anstatt eine große Theorie vorzuschlagen, bauten sie Modell-Protozellen – große unilamellare Vesikel (LUVs) – unter Verwendung von drei Arten von Phospholipiden: POPC (1-Palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholin; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-Palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin; 16:0-18:2 PC) und DOPC (1,2-Di-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin; 18:1 (D9-cis) PC). „Wir verwendeten Phosphatidylcholin (PC) als Membrankomponenten, aufgrund ihrer chemischen Strukturkontinuität mit modernen Zellen, potenzieller Verfügbarkeit unter präbiotischen Bedingungen und der Fähigkeit, essentielle Inhalte zurückzuhalten“, sagte Tatsuya Shinoda, Doktorand am ELSI und Hauptautor. Subtile Unterschiede in den Doppelbindungen machten einige Membranen starr (POPC) und andere labbrig (PLPC und DOPC).
Dann kamen die Gefrier-/Auftauzyklen (F/T) – eine Nachahmung der Temperaturlaunen der frühen Erde. Nach drei Zyklen drängten sich POPC-reiche Vesikel nur zusammen, ohne zu verschmelzen. Aber PLPC- und DOPC-Vesikel fusionierten zu größeren Kompartimenten. Je mehr PLPC, desto mehr Fusion. „Unter dem Stress der Eiskristallbildung können Membranen destabilisiert oder fragmentiert werden, was eine strukturelle Neuordnung beim Auftauen erfordert“, erklärte Natsumi Noda, Forscherin am ELSI. Übersetzung: Labbrige Membranen verschmelzen besser, wenn es eisig wird – und Fusion ist, wie verstreute organische Moleküle gemischt wurden, was möglicherweise die Chemie in Richtung Leben anstieß.
Das Team testete auch die DNA-Rückhaltung. PLPC-Vesikel fingen DNA ein und hielten sie besser fest als POPC-Vesikel, sogar vor dem Einfrieren. Nach wiederholten Zyklen hielten sie immer noch mehr DNA fest. Dies deutet darauf hin, dass eisige Umgebungen – nicht nur austrocknende Tümpel oder hydrothermale Quellen – eine Wiege des Lebens gewesen sein könnten. Gefrier-/Auftauzyklen konzentrieren Moleküle und fördern die Fusion, obwohl flüssige Membranen das Risiko von Leckagen bergen. Balance ist alles.
„Eine rekursive Selektion von F/T-induzierten gewachsenen Vesikeln über aufeinanderfolgende Generationen könnte durch die Integration von Spaltungsmechanismen wie osmotischem Druck oder mechanischer Scherung realisiert werden“, bemerkte Tomoaki Matsuura, Professor am ELSI und leitender Forscher. Auf gut Deutsch: Einfaches Einfrieren und Auftauen könnte einfache Bläschen in Richtung der ersten Zellen gestupst haben, die zur darwinschen Evolution fähig waren. Wenn Sie also das nächste Mal Eis von Ihrer Windschutzscheibe kratzen, denken Sie daran – Sie könnten Zeuge der Entstehungsgeschichte allen Lebens sein.