Współczesne komórki to przemęczeni osiągnięcia biologicznego świata – wewnętrzne rusztowanie, ściśle kontrolowane procesy chemiczne i instrukcja genetyczna na wszystko. Ale najwcześniejsze struktury komórkowe? To były w zasadzie tłuste bąbelki z manią wielkości. Zrozumienie, jak te proste protokomórki ewoluowały w złożone maszyny komórkowe, które widzimy dzisiaj, było centralnym bólem głowy w badaniach nad pochodzeniem życia.
Ostatnie badanie z Earth-Life Science Institute (ELSI) w Institute of Science Tokyo postanowiło przestać zgadywać i zacząć zamrażać. Zamiast proponować jedną wielką teorię, zbudowali modelowe protokomórki – duże jednowarstwowe pęcherzyki (LUV) – używając trzech rodzajów fosfolipidów: POPC (1-palmitoilo-2-oleilo-glicero-3-fosfocholina; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-palmitoilo-2-linoleilo-sn-glicero-3-fosfocholina; 16:0-18:2 PC) i DOPC (1,2-di-oleilo-sn-glicero-3-fosfocholina; 18:1 (D9-cis) PC). „Użyliśmy fosfatydylocholiny (PC) jako składników błony, ze względu na ich chemiczną ciągłość strukturalną z nowoczesnymi komórkami, potencjalną dostępność w warunkach prebiotycznych oraz zdolność do zatrzymywania niezbędnych składników” – powiedział Tatsuya Shinoda, doktorant w ELSI i główny autor. Subtelne różnice w podwójnych wiązaniach sprawiły, że niektóre błony były sztywne (POPC), a inne luźne (PLPC i DOPC).
Potem przyszły cykle zamrażania/rozmrażania (F/T) – naśladujące wahania temperatury starożytnej Ziemi. Po trzech cyklach pęcherzyki bogate w POPC po prostu skupiały się razem bez łączenia. Ale pęcherzyki PLPC i DOPC połączyły się w większe przedziały. Im więcej PLPC, tym więcej fuzji. „Pod wpływem naprężeń związanych z tworzeniem się kryształków lodu błony mogą ulegać destabilizacji lub fragmentacji, wymagając reorganizacji strukturalnej po rozmrożeniu” – wyjaśniła Natsumi Noda, badaczka w ELSI. Tłumaczenie: luźne błony lepiej się łączą, gdy robi się lodowato – a fuzja to sposób, w jaki rozproszone cząsteczki organiczne mieszały się, potencjalnie uruchamiając chemię prowadzącą do życia.
Zespół przetestował również retencję DNA. Pęcherzyki PLPC lepiej wychwytywały i utrzymywały DNA niż pęcherzyki POPC, nawet przed zamrożeniem. Po wielokrotnych cyklach wciąż trzymały więcej DNA. Sugeruje to, że lodowate środowiska – nie tylko wysychające kałuże czy kominy hydrotermalne – mogły być kolebką życia. Cykle zamrażania/rozmrażania koncentrują cząsteczki i sprzyjają fuzji, choć płynne błony ryzykują wyciekiem. Równowaga to wszystko.
„Rekurencyjna selekcja pęcherzyków powiększonych przez F/T w kolejnych pokoleniach może być realizowana przez integrację mechanizmów podziału, takich jak ciśnienie osmotyczne lub ścinanie mechaniczne” – zauważył Tomoaki Matsuura, profesor w ELSI i główny badacz. Po ludzku: proste zamrażanie i rozmrażanie mogło popchnąć podstawowe bąbelki w kierunku pierwszych komórek zdolnych do darwinowskiej ewolucji. Więc następnym razem, gdy będziesz skrobać lód z przedniej szyby, pamiętaj – możesz być świadkiem historii powstania całego życia.