Forskeren skaber et kemisk system, der efterligner tidlig celleadfærd

En Harvard-forsker, der søger en model for de tidligste celler, har skabt et system, der selv samler sig fra en kemisk suppe til cellelignende strukturer, der vokser, bevæge sig som reaktion på lys, replikere, når de ødelægges, og udviser tegn på rudimentær evolutionær selektion.

Mens systemet, udviklet af seniorforsker Juan Pérez-Mercader, efterligner, hvad man kan forestille sig som tidlig celleadfærd, en stor advarsel er, at dens hovedkomponent er et molekyle, der ikke typisk findes i levende ting.

Pérez-Mercader sagde, at det er designet. En fysiker ved uddannelse, Pérez-Mercader startede arbejdet med at følge op på et papir, han skrev i 2003, hvor han diskuterede matematiske modeller for nogle af livets grundlæggende egenskaber. Det seneste arbejde, beskrevet i open-access journal Videnskabelige rapporter , er et forsøg på at bruge kemi til at oversætte disse matematiske modeller til den virkelige verden, han sagde.

”Jeg forsøger at bygge noget, der efterligner livet på en fuldstændig kunstig måde, "Sagde Pérez-Mercader.

Pérez-Mercader kom til Harvard for at deltage i Origins of Life Initiative, en universitetsindsats, der involverer forskere på tværs af skoler og discipliner. Arbejdet spænder fra undersøgelser af de stadig grumsede processer, hvorved liv først opstod for at studere eksoplaneter langt fra Jorden.

Livet har fire hovedattributter, Sagde Pérez-Mercader. Det gemmer, kommunikerer, anvendelser, og replikerer oplysninger - som i dataene i DNA. Det har stofskifte, der gør det muligt at lave sine egne dele. Det er i stand til selvreplikation. Og det er i stand til at udvikle sig.

"Livet ... gør alle disse ting baseret på kemi. Hvis der er nogen kemi, der gør alt det ovenstående, og er ikke den kendte biokemi, vi søger højt og lavt efter [det], " han sagde.

Evnen til at adskille sig fra det omgivende miljø er en nøglekomponent i ethvert levende system, Sagde Pérez-Mercader. Dette gør det muligt for livets kemi at forekomme i en indkapslet struktur, som forhindrer den i at sprede sig i det omgivende miljø. Andre forskeres arbejde på dette område har inkluderet oprettelse af rudimentære celler via fedtmolekyler, som bruges i celleopbygning af levende ting. Pérez-Mercader forsøgte at fjerne processen til dens væsentlige for bedre at forstå det grundlæggende.

"Du skal have noget, der genererer den opdeling. Så vi sagde:'Kan vi bygge rummet på en enkel måde?'" Sagde Pérez-Mercader.

For at oprette systemet, Pérez-Mercader arbejdede sammen med Anders Albertsen, en medarbejder ved Institut for Jord- og Planetvidenskab, og Jan Szymanski, en tidligere postdoktor ved Harvard, at skabe en kemisk suppe bestående af 2-hydroxypropylmethacrylat. De tilføjede ruthenium, et lysfølsomt metal, at få molekylet til at reagere på lys. Det modificerede molekyle har en tendens til at forbinde med andre til lange gentagne kæder kaldet polymerer, med den ene ende frastødende vand og den anden tiltrækker det. Denne interaktion med vand får polymererne til at ligge i kø, og i sidste ende danner vesikler.

Systemet aktiveres med blåt lys. I løbet af flere timers eksponering, monomerer forbinder sig til polymerer, og polymererne står i kø for at danne sfæriske vesikler, med nogle, der nærmer sig størrelsen på naturlige celler. De vokser på grund af osmose, indtil de springer og derefter begynder at vokse igen.

"Efter fem timer ændres blandingen, "Sagde Pérez-Mercader." Efter seks timer bliver det grumset. Ud af den homogene blanding udvikles disse beholdere. Beholderne imploderer og vokser igen, de begynder at gøre disse meget interessante ting. "

Den regenerative adfærd er det, der førte Pérez-Mercader til beskrivelsen "phoenix vesicles, "efter den mytiske fugl, der brændte op i sin rede og blev født på ny.

Ud over evnen til at danne sig spontant og replikere, vesiklerne tiltrækkes af lys, og har en tendens til at klynge sig nær lyskilden. Over tid, større vesikler dominerer befolkningen, Pérez-Mercader sagde, angiver, at en form for udvælgelse er på arbejde.

Bortset fra alle mulige lektioner om det tidlige liv, Pérez-Mercader sagde, at resultaterne kunne være nyttige til at skabe et selvmonteret leveringssystem i industrien. Han sagde, at han planlægger at fortsætte arbejdet med mere komplekse vesikler og inkludere noget aktiv kemi i deres indre.

"Implikationerne for livets oprindelse er for mig meget interessante, selvom de stadig skal undersøges, " han sagde.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.