Pesquisadores з Instituto з Ciências з Terra і Vida (ELSI) в Tóquio виявили докази того, що крижане середовище могло зіграти вирішальну роль у появі перших клітинних структур. Experimentos, що моделює умови примітивного Terra, показує, що повторювані цикли заморожування та відтавання сприяли злиттю примітивних молекулярних компартментів і утриманню ДНК. Дослідження відкриває нові перспективи того, як складне життя могло розвинутися з надзвичайно простих систем.
Дослідження було зосереджено на ліпідних везикулах — маленьких бульбашках, утворених жировими мембранами — і на тому, як різні хімічні склади впливають на їхню поведінку під впливом тепла. Descobertas вказують на те, що більш рідкі мембрани з більшим ступенем ліпідної ненасиченості сприяли злиттю компартментів і змішуванню основних молекул. Процес Esse створив середовище, сприятливе для складних хімічних реакцій у перші дні існування планети.
Protocélulas, сконструйований з різними ліпідними композиціями
Команда дослідників створила невеликі сферичні компартменти, які називаються великими одношаровими везикулами (LUV), використовуючи три різні типи фосфоліпідів. Тип Cada мав чіткі структурні особливості, які впливали на поведінку мембран.
- POPC(1-пальмітоїл-2-олеоїл-гліцеро-3-фосфохолін): ненасичений ацильний ланцюг з одинарним подвійним зв’язком, що створює більш жорсткі мембрани
- PLPC(1-пальмітоїл-2-лінолеоїл-sn-гліцеро-3-фосфохолін): ненасичений ацильний ланцюг із двома подвійними зв’язками, що забезпечує більшу текучість
- DOPC(1,2-діолеоїл-sn-гліцеро-3-фосфохолін): два ненасичені ацильні ланцюги, кожен з яких має подвійний зв’язок, що забезпечує максимальну текучість
Segundo Tatsuya Shinoda, аспірант ELSI та провідний автор роботи, вибір фосфатидилхоліну як компонента мембрани був зумовлений його структурною спадкоємністю з сучасними клітинами, потенційною доступністю в пребіотичних умовах і здатністю зберігати необхідний вміст. Молекули Essas, хоча і схожі зовні, відрізняються тонкими, але суттєвими аспектами, які визначають гнучкість структур.
Fusão і зростання за рахунок циклів заморожування
Дослідники піддавали везикули повторюваним циклам заморожування та відтавання, імітуючи коливання температури, які відбувалися в примітивному Terra. Após лише три цикли, чіткі відмінності з’явилися між відсіками. Vesículas, багатий на POPC, згрупований без повного злиття, зберігаючи свою оригінальну структуру. Навпаки, ті, що містять PLPC або DOPC, об’єднані в значно більші відсіки. Quanto, чим вища концентрація PLPC, присутня в мембрані, тим більша ймовірність злиття та зростання структур.
Поведінка Esse підкреслює фундаментальну роль мембранної хімії в еволюції протоклітин. Lipídios з більшою кількістю ненасичених зв’язків робить мембрани менш компактними та структурно більш гнучкими. Natsumi Noda, дослідник ELSI, помітив, що під впливом утворення кристалів льоду мембрани можуть стати нестабільними або фрагментованими, вимагаючи структурної реорганізації після розморожування. Менш компактна латеральна організація, що є результатом більшого ступеня ненасиченості, оголює більше гідрофобних областей під час реконструкції мембрани, полегшуючи взаємодію з сусідніми везикулами та роблячи злиття енергетично сприятливим.
Captura і збереження генетичного матеріалу
Компартментне злиття є особливо важливим, оскільки воно дозволяє змішувати вміст окремих везикул. Примітивний Na Terra, де органічні молекули були розсіяні в навколишньому середовищі, цей тип суміші міг об’єднати необхідні інгредієнти для більш складних хімічних реакцій. Команда також перевірила здатність везикул захоплювати та утримувати ДНК, порівнюючи структури, повністю виготовлені з POPC, із структурами, зробленими з PLPC. Результати показали, що везикули PLPC захоплювали ДНК з більшою ефективністю навіть до циклів заморожування та розморожування. Повторювані цикли Após продовжували зберігати значно більше генетичного матеріалу, ніж везикули POPC, що свідчить про те, що ліпідний склад не тільки сприяє злиттю, але й захищає важливі молекули.
Ambientes Морозиво як колиска життя
Tradicionalmente, вчені зосередилися на таких середовищах, як наземні крижані басейни або підводні гідротермальні джерела як можливі місця походження життя. Дослідження Este додає іншу перспективу, припускаючи, що великомасштабне крижане середовище також відіграє значну роль. У примітивному Na Terra цикли замерзання-відтавання могли відбуватися неодноразово протягом тривалих геологічних періодів. Коли вода замерзала, кристали льоду, що розширювалися, виштовхували розчинені молекули в рідину, що залишилася, концентруючи їх у невеликих просторах. Процес Esse збільшить імовірність взаємодії між молекулами та везикулами, створюючи середовище, сприятливе для пребіотичної хімії.
Simultaneamente, мембрани, що складаються з більшої кількості ненасичених фосфоліпідів, будуть більш схильні до злиття, сприяючи змішуванню різного вмісту. Existe, однак, важливий аналог. Рідинні мембрани Embora сприяють злиттю, вони також можуть стати нестабільними під час стресу, спричиненого заморожуванням і відтаванням, що призводить до витоків, які ставлять під загрозу утримання основних молекул. Para, примітивні протоклітини, підтримання балансу між структурною стабільністю та проникністю мало б вирішальне значення для їх виживання та подальшої еволюції.
Шлях до перших складних клітин
Tomoaki Matsuura, професор ELSI та головний дослідник дослідження, припускає, що рекурсивний відбір вирощених везикул, викликаний заморожуванням і відтаванням протягом наступних поколінь, міг бути здійснений шляхом інтеграції механізмів поділу, таких як осмотичний тиск або механічний зсув. Зі збільшенням молекулярної складності внутрішньоміхурова система — тобто функція, закодована генами — може зрештою взяти під контроль протоцелюлярну придатність. Isso призведе до появи первинної клітини, здатної до дарвінівської еволюції. Найвдаліші композиції мембран, ймовірно, залежали від конкретних умов навколишнього середовища в кожному місці зародження життя.
Взяті разом, результати свідчать про те, що прості фізичні процеси, такі як заморожування та відтавання, могли допомогти скерувати перехід від основних молекулярних компартментів до перших еволюціонуючих клітин. Дослідження не тільки дає більш чітку відповідь на багатовікове питання про те, як зародилося життя, але також демонструє, що екстремальні умови можуть бути каталізатором біологічної складності, відкриваючи нові напрямки дослідження стійкості примітивних молекулярних структур.