Pesquisadores van Instituto van Ciências van Terra en Vida (ELSI) in Tóquio ontdekten bewijs dat ijzige omgevingen mogelijk een cruciale rol hebben gespeeld bij het ontstaan van de eerste cellulaire structuren. Experimentos simuleert de omstandigheden van primitieve Terra en laat zien dat herhaalde cycli van bevriezen en ontdooien de fusie van primitieve moleculaire compartimenten en het vasthouden van DNA bevorderden. De studie opent nieuwe perspectieven op hoe complex leven zich kan hebben ontwikkeld uit uiterst eenvoudige systemen.
Het onderzoek richtte zich op lipideblaasjes – kleine belletjes gevormd door vetmembranen – en hoe verschillende chemische samenstellingen hun gedrag onder hittestress beïnvloedden. Descobertas geeft aan dat meer vloeibare membranen, met een grotere mate van lipidenonverzadiging, de fusie van compartimenten en het mengen van essentiële moleculen mogelijk maakten. Het Esse-proces zou in de begindagen van de planeet omgevingen hebben gecreëerd die bevorderlijk waren voor complexe chemische reacties.
Protocélulas geconstrueerd met verschillende lipidesamenstellingen
Het team van onderzoekers creëerde kleine bolvormige compartimenten, grote unilamellaire blaasjes (LUV’s) genoemd, met behulp van drie verschillende soorten fosfolipiden. Het Cada-type had verschillende structurele kenmerken die het gedrag van de membranen beïnvloedden.
- POPC(1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-fosfocholine): een onverzadigde acylketen met een enkele dubbele binding, die stijvere membranen produceert
- PLPC(1-palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine): een onverzadigde acylketen met twee dubbele bindingen, die een grotere vloeibaarheid genereert
- DOPC(1,2-di-oleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine): twee onverzadigde acylketens, elk met een dubbele binding, voor maximale vloeibaarheid
Segundo Tatsuya Shinoda, promovendus bij ELSI en hoofdauteur van het werk, was de keuze voor fosfatidylcholine als membraancomponent te danken aan de structurele continuïteit met moderne cellen, de potentiële beschikbaarheid onder prebiotische omstandigheden en het vermogen om essentiële inhoud vast te houden. Hoewel Essas-moleculen qua uiterlijk vergelijkbaar zijn, verschillen ze in subtiele maar belangrijke aspecten die de flexibiliteit van de structuren bepalen.
Fusão en groei gedreven door bevriezingscycli
De onderzoekers stelden de blaasjes bloot aan herhaalde cycli van bevriezen en ontdooien, waarbij ze temperatuurvariaties simuleerden die optraden in de primitieve Terra. Após slechts drie cycli, er kwamen duidelijke verschillen naar voren tussen de compartimenten. Vesículas rijk aan POPC gegroepeerd zonder volledig samen te voegen, met behoud van hun oorspronkelijke structuur. Daarentegen zijn die met PLPC of DOPC samengevoegd tot aanzienlijk grotere compartimenten. Quanto, hoe hoger de concentratie van PLPC aanwezig in het membraan, hoe groter de waarschijnlijkheid van fusie en groei van de structuren.
Esse-gedrag benadrukt de fundamentele rol van membraanchemie in de evolutie van protocellen. Lipídios met meer onverzadigde bindingen maakt de membranen minder compact en structureel flexibeler. Natsumi Noda, een ELSI-onderzoeker, merkte op dat membranen onder de stress van de vorming van ijskristallen onstabiel of gefragmenteerd kunnen worden, waardoor structurele reorganisatie na ontdooiing nodig is. De minder compacte laterale organisatie, die het gevolg is van de grotere mate van onverzadiging, legt meer hydrofobe gebieden bloot tijdens membraanreconstructie, waardoor interacties met aangrenzende blaasjes worden vergemakkelijkt en fusie energetisch gunstig wordt gemaakt.
Captura en retentie van genetisch materiaal
Compartimentfusie is vooral belangrijk omdat hierdoor de inhoud van afzonderlijke blaasjes kan worden gemengd. Na Terra primitief, waar organische moleculen verspreid waren in het milieu, had dit type mengsel essentiële ingrediënten voor complexere chemische reacties kunnen samenbrengen. Het team testte ook het vermogen van de blaasjes om DNA te vangen en vast te houden, waarbij structuren die volledig van POPC waren gemaakt, werden vergeleken met die van PLPC. De resultaten toonden aan dat PLPC-blaasjes DNA met grotere efficiëntie opvingen, zelfs vóór de cycli van invriezen en ontdooien. Herhaalde cycli van Após bleven aanzienlijk meer genetisch materiaal vasthouden dan POPC-blaasjes, wat suggereert dat de lipidensamenstelling niet alleen de fusie bevorderde, maar ook belangrijke moleculen beschermde.
Ambientes-ijs als bakermat van het leven
Tradicionalmente hebben wetenschappers zich geconcentreerd op omgevingen zoals ijspoelen op het land of hydrothermale bronnen onder water als mogelijke plaatsen waar het leven ontstaat. De Este-studie voegt een ander perspectief toe, wat suggereert dat grootschalige ijzige omgevingen ook een belangrijke rol speelden. In primitieve Na Terra kunnen cycli van bevriezen en ontdooien herhaaldelijk hebben plaatsgevonden gedurende uitgebreide geologische perioden. Terwijl het water bevroor, duwden uitzettende ijskristallen opgeloste moleculen in de resterende vloeistof, waardoor ze in kleine ruimtes werden geconcentreerd. Het Esse-proces zou de waarschijnlijkheid van interacties tussen moleculen en blaasjes vergroten, waardoor een omgeving ontstaat die bevorderlijk is voor prebiotische chemie.
Simultaneamente zouden membranen die zijn samengesteld uit meer onverzadigde fosfolipiden gevoeliger zijn voor fusie, waardoor de vermenging van verschillende inhoud wordt bevorderd. Existe is echter een belangrijke tegenhanger. Embora-vloeistofmembranen bevorderen fusie, maar kunnen ook onstabiel worden tijdens stress veroorzaakt door bevriezen en ontdooien, wat leidt tot lekken die de retentie van essentiële moleculen in gevaar brengen. Para de primitieve protocellen, het handhaven van het evenwicht tussen structurele stabiliteit en permeabiliteit zou absoluut cruciaal zijn geweest voor hun overleving en voortdurende evolutie.
Het pad naar de eerste complexe cellen
Tomoaki Matsuura, ELSI-professor en hoofdonderzoeker van de studie, suggereert dat een recursieve selectie van volwassen blaasjes, geïnduceerd door bevriezen en ontdooien over opeenvolgende generaties, tot stand had kunnen komen door het integreren van splijtingsmechanismen zoals osmotische druk of mechanische schuifkracht. Met de toenemende moleculaire complexiteit zou het intravesiculaire systeem – dat wil zeggen de functie gecodeerd door genen – uiteindelijk de controle over de protocellulaire fitheid kunnen overnemen. Isso zou leiden tot de opkomst van een oercel die in staat is tot Darwiniaanse evolutie. De meest succesvolle membraansamenstellingen waren waarschijnlijk afhankelijk van de specifieke omgevingsomstandigheden op elke plaats waar het leven ontstond.
Alles bij elkaar suggereren de bevindingen dat eenvoudige fysieke processen zoals invriezen en ontdooien mogelijk hebben bijgedragen aan het begeleiden van de overgang van fundamentele moleculaire compartimenten naar de eerste evoluerende cellen. Het onderzoek biedt niet alleen een duidelijker antwoord op de eeuwenoude vraag hoe het leven begon, maar toont ook aan dat extreme omgevingen mogelijk een katalysator zijn geweest voor biologische complexiteit, waardoor nieuwe onderzoekslijnen zijn geopend naar de veerkracht van primitieve moleculaire structuren.