|
Дождевая вода сформировала стенки первых протоклеток
|
|
|
|
Один из главных вопросов о происхождении жизни, на который нет ответа, заключается в том, как капли РНК, плавающие в первичном бульоне, превратились в защищенные мембраной сгустки жизни, которые мы называем клетками.
|
|
|
|
В новой статье инженеров из Школы молекулярной инженерии Притцкеровского университета Чикаго (UChicago PME), факультета химической инженерии Хьюстонского университета и биологов из химического факультета UChicago было предложено решение.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в Science Advances, постдокторант-исследователь UChicago PME Аман Агравал и его соавторы, в том числе почетный декан UChicago PME Мэтью Тирелл и лауреат Нобелевской премии по биологии Джек Шостак, показывают, как дождевая вода могла помочь создать сетчатую стену вокруг протоклеток 3,8 миллиарда лет назад, что стало важным шагом на пути к переходу. от крошечных кусочков РНК до каждой бактерии, растения, животного и человека, которые когда-либо жили.
|
|
|
|
"Это характерное и новое наблюдение", - сказал Тирелл.
|
|
|
|
В исследовании рассматриваются "коацерватные капли" — естественные скопления сложных молекул, таких как белки, липиды и РНК. Капли, которые ведут себя как капли растительного масла в воде, уже давно рассматривались как кандидаты на роль первых протоклеток. Но возникла проблема. Дело было не в том, что эти капли не могли обмениваться молекулами друг с другом - это был ключевой шаг в эволюции, - проблема заключалась в том, что они делали это слишком хорошо и слишком быстро.
|
|
|
Любая капля, содержащая новую, потенциально полезную преджизненную мутацию РНК, в течение нескольких минут заменила бы эту РНК на другие капли РНК, что означает, что все они быстро стали бы одинаковыми. Не было бы ни дифференциации, ни конкуренции, а значит, и эволюции.
|
|
|
|
А это означает, что не было бы жизни.
|
|
|
|
"Если молекулы будут постоянно обмениваться между капельками или между клетками, то через некоторое время все клетки будут выглядеть одинаково, и эволюции не будет, потому что в итоге вы получите идентичные клоны", - сказал Агравал.
|
|
Разработка решения
|
|
|
|
Жизнь по своей природе является междисциплинарной, поэтому Шостак, директор Чикагского центра происхождения жизни UChicago, считает естественным сотрудничество как с UChicago PME, междисциплинарной школой молекулярной инженерии UChicago, так и с кафедрой химической инженерии Хьюстонского университета.
|
|
|
|
"Инженеры долгое время изучали физическую химию таких типов комплексов и химию полимеров в целом. Вполне логично, что в инженерной школе есть опыт", - сказал Шостак. "Когда мы рассматриваем что-то вроде происхождения жизни, это настолько сложно и включает в себя так много аспектов, что нам нужны люди, обладающие каким-либо соответствующим опытом".
|
|
|
|
В начале 2000-х годов Шостак начал рассматривать РНК как первый биологический материал, который был разработан. Это решило проблему, которая долгое время ставила в тупик исследователей, рассматривающих ДНК или белки как самые ранние молекулы жизни.
|
|
|
|
"Это похоже на проблему курицы и яйца. Что появилось раньше?" Спросил Агравал. "ДНК - это молекула, которая кодирует информацию, но не может выполнять никаких функций. Белки - это молекулы, которые выполняют функции, но не кодируют никакой наследственной информации".
|
|
|
|
Такие исследователи, как Шостак, предположили, что сначала появилась РНК, которая, по словам Агравала, "позаботилась обо всем", а из нее постепенно развились белки и ДНК.
|
|
|
|
"РНК - это молекула, которая, как и ДНК, может кодировать информацию, но она также сворачивается подобно белкам, чтобы выполнять такие функции, как катализ", - сказал Агравал.
|
|
|
|
РНК была вероятным кандидатом на роль первого биологического материала. Коацерватные капли были вероятными кандидатами на роль первых протоклеток. Коацерватные капли, содержащие ранние формы РНК, казались естественным следующим шагом.
|
|
|
|
Так было до тех пор, пока Шостак не опроверг эту теорию, опубликовав в 2014 году статью, в которой показано, что РНК в каплях коацерватов обменивается слишком быстро.
|
|
|
|
"Вы можете создавать всевозможные капли из разных типов коацерватов, но они не сохраняют свою индивидуальность. Они склонны к слишком быстрому обмену содержимым своей РНК. Это давняя проблема", - сказал Шостак.
|
|
|
|
"В этой новой работе мы показали, что вы можете решить, по крайней мере, часть этой проблемы, поместив эти коацерватные капли в дистиллированную воду — например, дождевую или пресноводную любого типа — и они образуют своего рода жесткую оболочку вокруг капель, которая препятствует обмену содержимым РНК".
|
|
"Спонтанное воспламенение идей"
|
|
|
|
Агравал начал переносить капли коацерватов в дистиллированную воду во время своего докторского исследования в Хьюстонском университете, изучая их поведение в электрическом поле. На тот момент исследование не имело никакого отношения к происхождению жизни, а просто изучало интересный материал с инженерной точки зрения.
|
|
|
|
"Инженеры, особенно химики и материаловеды, хорошо разбираются в том, как манипулировать свойствами материалов, такими как межфазное натяжение, роль заряженных полимеров, соли, регулирование рН и т.д.", - сказал профессор Хьюстонского университета. Аламгир Карим, бывший научный руководитель Agrawal и старший соавтор новой статьи. "Все это ключевые аспекты мира, широко известного как "сложные жидкости" — например, шампунь и жидкое мыло".
|
|
|
|
Агравал хотел изучить другие фундаментальные свойства коацерватов во время получения докторской степени. Это не входило в сферу интересов Карима, но несколько десятилетий назад Карим работал в Университете Миннесоты под руководством одного из ведущих мировых экспертов — Тирелла, который позже стал деканом-основателем Школы молекулярной инженерии Притцкера в Чикаго.
|
|
|
|
Во время обеда с Агравалом и Каримом Тирелл рассказал о том, как исследование влияния дистиллированной воды на коацерватные капли может быть связано с происхождением жизни на Земле. Тирелл спросил, где дистиллированная вода могла существовать 3,8 миллиарда лет назад.
|
|
|
|
"Я спонтанно сказал "дождевая вода!" Его глаза загорелись, и он был очень взволнован этим предложением", - сказал Карим. "Итак, вы можете сказать, что это было спонтанное воспламенение идей!"
|
|
|
|
Тирелл рассказал об исследованиях Агравала по дистиллированной воде Шостаку, который недавно поступил на работу в Чикагский университет, чтобы возглавить проект, который тогда назывался "Истоки жизни". Он задал тот же вопрос, что и Кариму.
|
|
|
|
"Я спросил его: "Как ты думаешь, откуда могла взяться дистиллированная вода в мире пребиотиков?" - вспоминает Тирелл. "И Джек сказал именно то, что я надеялся от него услышать, - дождь".
|
|
|
|
Работая с образцами РНК из Шостака, Агравал обнаружил, что перенос капель коацервата в дистиллированную воду увеличивает время обмена РНК — с нескольких минут до нескольких дней. Этого времени было достаточно для мутаций, конкуренции и эволюции.
|
|
|
|
"Если популяции протоклеток нестабильны, они будут обмениваться своим генетическим материалом друг с другом и станут клонами. Дарвиновская эволюция невозможна", - сказал Агравал. "Но если они будут устойчивы к обмену, чтобы сохранить свою генетическую информацию достаточно хорошо, по крайней мере, в течение нескольких дней, чтобы в их генетических последовательностях могли произойти мутации, тогда популяция может эволюционировать".
|
|
Дождь, проверено
|
|
|
|
Первоначально Agrawal экспериментировал с деионизированной водой, которая очищается в лабораторных условиях. "Это побудило рецензентов журнала поинтересоваться, что произойдет, если дождевая вода с пребиотиками будет очень кислой", - сказал он.
|
|
|
|
Промышленная лабораторная вода не содержит никаких загрязняющих веществ, не содержит соли и имеет нейтральный уровень pH, идеально сбалансированный между щелочью и кислотой. Короче говоря, она настолько далека от реальных условий, насколько это возможно для материала. Им нужно было работать с материалом, более похожим на настоящий дождь.
|
|
Что может быть больше похоже на дождь, чем сам дождь?
|
|
|
|
"Мы просто собрали дождевую воду в Хьюстоне и проверили стабильность наших капель в ней, просто чтобы убедиться в точности того, что мы сообщаем", - сказал Агравал.
|
|
|
|
В ходе экспериментов с настоящей дождевой водой и лабораторной водой, модифицированной для имитации кислотности дождевой воды, они получили одинаковые результаты. Сетчатые стенки сформировались, создав условия, которые могли бы привести к возникновению жизни.
|
|
|
|
Химический состав дождя, выпадающего над Хьюстоном в 2020-х годах, отличается от того, который выпадал бы через 750 миллионов лет после образования Земли, и то же самое можно сказать о модельной системе протоклеток, протестированной Agrawal.
|
|
|
|
Новая работа доказывает, что такой подход к созданию сетчатой оболочки вокруг протоклеток возможен и может работать совместно для разделения молекул жизни, приближая исследователей как никогда к поиску правильного набора химических веществ и условий окружающей среды, которые позволяют протоклеткам эволюционировать.
|
|
|
|
"Молекулы, которые мы использовали для создания этих протоклеток, являются всего лишь моделями, пока не будут найдены более подходящие молекулы в качестве заменителей", - сказал Агравал. "Хотя химия будет немного отличаться, физика останется прежней".
|
|
|
|
Источник
|
