Современные клетки — переростки биологического мира: внутренний скелет, строго контролируемые химические процессы и генетическая инструкция на все случаи жизни. Но самые ранние клеткоподобные структуры? Они были, по сути, жирными пузырьками с манией величия. Понимание того, как эти простые протоклетки эволюционировали в сложные клеточные машины, которые мы видим сегодня, было главной головной болью в исследованиях происхождения жизни.
Недавнее исследование из Института наук о жизни Земли (ELSI) при Токийском институте науки решило перестать гадать и начать замораживать. Вместо того чтобы предлагать одну грандиозную теорию, они построили модельные протоклетки — большие однослойные везикулы (LUV) — с использованием трех типов фосфолипидов: POPC (1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфохолин; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-пальмитоил-2-линолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин; 16:0-18:2 PC) и DOPC (1,2-ди-олеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин; 18:1 (D9-cis) PC). «Мы использовали фосфатидилхолин (PC) в качестве мембранных компонентов из-за их химической структурной преемственности с современными клетками, потенциальной доступности в пребиотических условиях и способности удерживать важное содержимое», — сказал Тацуя Синода, аспирант ELSI и ведущий автор. Тонкие различия в двойных связях делали одни мембраны жесткими (POPC), а другие — рыхлыми (PLPC и DOPC).
Затем последовали циклы замораживания/оттаивания (F/T), имитирующие перепады температуры древней Земли. После трех циклов везикулы, богатые POPC, просто сбивались вместе, не сливаясь. Но везикулы PLPC и DOPC сливались в более крупные отсеки. Чем больше PLPC, тем больше слияний. «Под воздействием образования кристаллов льда мембраны могут дестабилизироваться или фрагментироваться, требуя структурной реорганизации при оттаивании», — объяснила Нацуми Нода, исследователь ELSI. Перевод: рыхлые мембраны лучше сливаются, когда становится холодно, а слияние — это то, как разрозненные органические молекулы смешивались, потенциально запуская химию на пути к жизни.
Команда также проверила удержание ДНК. Везикулы PLPC захватывали и удерживали ДНК лучше, чем везикулы POPC, даже до замораживания. После повторных циклов они все еще удерживали больше ДНК. Это предполагает, что ледяные среды — не только высыхающие лужи или гидротермальные источники — могли быть колыбелью жизни. Циклы замораживания/оттаивания концентрируют молекулы и способствуют слиянию, хотя текучие мембраны рискуют протечкой. Баланс — это все.
«Рекурсивный отбор выросших под действием F/T везикул в последовательных поколениях может быть реализован путем интеграции механизмов деления, таких как осмотическое давление или механический сдвиг», — отметил Томоаки Мацуура, профессор ELSI и главный исследователь. Простыми словами: простое замораживание и оттаивание могло подтолкнуть базовые пузырьки к первым клеткам, способным к дарвиновской эволюции. Так что в следующий раз, когда будете соскребать лед с лобового стекла, вспомните — возможно, вы наблюдаете историю происхождения всей жизни.