Moderne cellen zijn de overpresteerders van de biologische wereld - interne steigers, strak gecontroleerde chemische processen en een genetische handleiding voor alles. Maar de vroegste celachtige structuren? Dat waren in feite vette bubbels met grootheidswaanzin. Begrijpen hoe die eenvoudige protocellen evolueerden naar de complexe cellulaire machines die we vandaag zien, is een centrale hoofdpijn geweest in onderzoek naar de oorsprong van het leven.

Een recente studie van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Institute of Science Tokyo besloot te stoppen met gissen en te beginnen met bevriezen. In plaats van één grote theorie te poneren, bouwden ze modelprotocellen - grote unilamellaire vesicles (LUV's) - met behulp van drie soorten fosfolipiden: POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-fosfocholine; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine; 16:0-18:2 PC) en DOPC (1,2-di-oleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine; 18:1 (D9-cis) PC). "We gebruikten fosfatidylcholine (PC) als membraancomponenten, vanwege hun chemische structurele continuïteit met moderne cellen, potentiële beschikbaarheid onder prebiotische omstandigheden en het vermogen om essentiële inhoud vast te houden," zei Tatsuya Shinoda, een promovendus bij ELSI en hoofdauteur. Subtiele verschillen in dubbele bindingen maakten sommige membranen stijf (POPC) en andere slap (PLPC en DOPC).

Toen kwamen de vries/dooi-cycli (F/T) - een imitatie van de temperatuurschommelingen van de vroege aarde. Na drie cycli klonterden POPC-rijke vesicles alleen maar samen zonder te fuseren. Maar PLPC- en DOPC-vesicles versmolten tot grotere compartimenten. Hoe meer PLPC, hoe meer fusie. "Onder de spanningen van ijskristalvorming kunnen membranen destabiliseren of fragmenteren, wat structurele reorganisatie vereist bij het ontdooien," legde Natsumi Noda, onderzoeker bij ELSI, uit. Vertaling: slappe membranen zijn beter in samensmelten als het ijskoud wordt - en fusie is hoe verspreide organische moleculen werden gemengd, wat mogelijk de chemie richting leven een kickstart gaf.

Het team testte ook het vasthouden van DNA. PLPC-vesicles vingen en hielden DNA beter vast dan POPC-vesicles, zelfs vóór het invriezen. Na herhaalde cycli hielden ze nog steeds meer DNA vast. Dit suggereert dat ijzige omgevingen - niet alleen opdrogende poelen of hydrothermale bronnen - een wieg voor het leven hadden kunnen zijn. Vries/dooi-cycli concentreren moleculen en stimuleren fusie, hoewel vloeibare membranen risico op lekkage hebben. Balans is alles.

"Een recursieve selectie van door F/T gegroeide vesicles over opeenvolgende generaties kan worden gerealiseerd door splijtingsmechanismen zoals osmotische druk of mechanische afschuiving te integreren," merkte Tomoaki Matsuura, hoogleraar bij ELSI en hoofdonderzoeker, op. In gewoon Nederlands: eenvoudig invriezen en ontdooien zou de basisbubbels richting de eerste cellen hebben kunnen duwen die in staat waren tot darwinistische evolutie. Dus de volgende keer dat je ijs van je voorruit krabt, bedenk dan: je bent misschien getuige van het oorsprongsverhaal van al het leven.