Forskere opdager ny kemi, der kan hjælpe med at forklare cellelivets oprindelse

Inden livet begyndte på Jorden, miljøet sandsynligvis indeholdt et massivt antal kemikalier, der reagerede mere eller mindre tilfældigt med hinanden, og det er uklart, hvordan kompleksiteten af ​​celler kunne være opstået fra et sådant kemisk kaos. Nu, et team ledet af Tony Z. Jia ved Tokyo Institute of Technology og Kuhan Chandru fra National University of Malaysia har vist, at simple α-hydroxysyrer, som glykolsyre og mælkesyre, spontant polymerisere og samle sig selv til polyestermikrodråber, når de tørres ved moderate temperaturer efterfulgt af rehydrering. Dette kunne være det, der skete langs primitive strande og flodbredder, eller i tørrende vandpytter. Disse danner en ny type cellelignende rum, der kan fange og koncentrere biomolekyler som nukleinsyrer og proteiner. Disse dråber, i modsætning til de fleste moderne celler, er i stand til let at fusionere og reformere, og dermed kunne have været vært for alsidige tidlige genetiske og metaboliske systemer, der potentielt er kritiske for livets oprindelse.

Alt liv på jorden består af celler. Celler består af lipider, proteiner og nukleinsyrer, med lipidet, der danner cellemembranen, et kabinet, der holder de andre komponenter sammen og grænseflader med miljøet, udveksling af mad og affald. Hvordan molekylære samlinger så komplekse som celler, der oprindeligt blev dannet, forbliver et mysterium.

De fleste oprindelser for livsforskning fokuserer på, hvordan molekylerne og livets strukturer blev produceret af miljøet, og derefter samlet i strukturer, der førte til de første celler. Imidlertid, der var sandsynligvis mange andre typer molekyler, der dannedes sammen med biomolekyler på den tidlige jord, og det er muligt, at livet begyndte at bruge meget enkel kemi uden relation til moderne biomolekyler, udviklede sig derefter gennem stadig mere komplekse faser for at give anledning til de strukturer, der findes i moderne celler.

Tidligere arbejde udført på ELSI viste, at tørring ved moderat temperatur af de simple organiske forbindelser kendt som alfa-hydroxysyrer, som findes i meteoritter og mange simuleringer af prebiologisk kemi, spontant polymeriserer dem til blandinger af lange polyestere. Bygger på dette arbejde, Jia og kolleger tog det næste skridt og undersøgte disse reaktioner under mikroskopet, og fandt ud af, at disse blandede polyestersystemer danner en gelfase og spontant selvsamler sig, når de genfugtes til dannelse af enkle cellelignende strukturer.

Det mest udfordrende aspekt ved dette arbejde var at udtænke nye metoder til at karakterisere dråbernes egenskaber og funktioner, da ingen før havde analyseret sådanne systemer. Jia bemærkede, at teamet var så heldigt at have en sådan mangfoldighed af tværfaglig ekspertise, herunder kemikere, biokemikere, materialeforskere og geologer. Efter at have bestemt deres sammensætning og vist deres tilbøjelighed til selvsamling, det næste spørgsmål var, om disse cellelignende strukturer måske kunne gøre noget kemisk nyttigt. Moderne cellemembraner udfører mange afgørende funktioner, der hjælper med at vedligeholde cellen, for eksempel, fastholdelse af makromolekyler og metabolitter ét sted, samt at levere et konstant internt miljø, som kan være meget anderledes end den uden for cellen. De målte først, hvor stabile disse strukturer var, og fandt ud af, at de kunne vedvare i meget lange perioder afhængigt af miljøforholdene, men kunne også fås til at fusionere og samles.

De testede derefter disse strukturs evne til at opsamle molekyler fra miljøet og fandt ud af, at de havde akkumuleret store farvestofmolekyler i en bemærkelsesværdig grad. De viste derefter, at disse dråber også kunne være vært for RNA og proteinmolekyler og stadig tillade dem at være funktionelt katalytiske. Yderligere, holdet viste, at dråberne kunne hjælpe med dannelsen af ​​et lipidlag på deres overflade, tyder på, at de kunne have hjulpet stillads protocell dannelse.

Jia og kolleger er ikke sikre på, at disse strukturer er de direkte forfædre til celler, men de tror, ​​det er muligt, at sådanne dråber kunne have muliggjort samling af protoceller på Jorden. Det nye opdelingssystem, de har fundet, er ekstremt enkelt, de bemærker, og kunne let dannes i primitive miljøer i hele universet. Siger Jia, "Dette giver os mulighed for at forestille os ikke-biologiske systemer på den tidlige jord, der stadig kunne have haft en hånd i livets oprindelse. Dette tyder på, at der kan være mange andre ikke-biologiske systemer, der burde være mål for fremtidige undersøgelser af denne type." Han mener, at udviklingen af ​​disse eller lignende modelsystemer kunne muliggøre en bedre undersøgelse af udviklingen af ​​forskellige kemiske systemer, der er repræsentative for de komplekse kemier, der sandsynligvis findes på primitive planetariske kroppe.

"Den tidlige jord var bestemt et rodet sted kemisk, "Jia forklarer, "og ofte, de fleste oprindelser for livsstudier fokuserer på moderne biomolekyler under relativt 'rene' forhold. Måske er det vigtigt at tage disse 'rodede' blandinger og se, om der er interessante funktioner eller strukturer, der spontant kan opstå fra dem. "Forfatterne mener nu, at ved systematisk at øge den kemiske kompleksitet af sådanne systemer, de vil være i stand til at observere, hvordan de udvikler sig over tid og muligvis opdage divergerende og nye egenskaber.

"Vi har dette nye eksperimentelle system, vi nu kan lege med, så vi kan begynde at studere fænomener som evolution og udvikling af disse dråber. De mulige kombinationer af strukturer eller funktioner, som disse dråber kan have, er næsten uendelige. Hvis de fysiske regler, der styrer dannelsen af ​​dråber, er temmelig universelle, så håber vi at studere lignende systemer for at opdage, om de også kan danne mikrodråber med nye egenskaber, "tilføjer Jia.

Endelig, mens teamet i øjeblikket er fokuseret på at forstå livets oprindelse, de bemærker, at denne grundforskning kan have anvendelser på andre områder, for eksempel, levering af medicin og personlig medicin. "Dette er bare et vidunderligt eksempel på de uventede måder projekter kan udvikle sig på, når et team af forskelligartede forskere fra hele verden kommer sammen for at prøve at forstå nye og interessante fænomener, "sagde teammedlem Jim Cleaves, også af ELSI.