De første celler kan være opstået, fordi byggesten af ​​proteiner stabiliserede membraner

Livet på Jorden opstod for omkring 4 milliarder år siden, da de første celler dannedes i en ursuppe af kompleks, kulstofrige kemiske forbindelser.

Disse celler stod over for en kemisk gåde. De havde brug for særlige ioner fra suppen for at udføre grundlæggende funktioner. Men de ladede ioner ville have forstyrret de simple membraner, der indkapslede cellerne.

Et team af forskere ved University of Washington har løst dette puslespil ved kun at bruge molekyler, der ville have været til stede på den tidlige Jord. Ved hjælp af cellestørrelse, væskefyldte rum omgivet af membraner lavet af fedtsyremolekyler, holdet opdagede, at aminosyrer, byggestenene i proteiner, kan stabilisere membraner mod magnesiumioner. Deres resultater satte scenen for de første celler til at kode deres genetiske information i RNA, et molekyle relateret til DNA, der kræver magnesium til dets produktion, samtidig med at membranens stabilitet bevares.

Fundene, udgivet i ugen den 12. august i Proceedings of the National Academy of Sciences , gå ud over at forklare, hvordan aminosyrer kunne have stabiliseret membraner i ugunstige miljøer. De viser også, hvordan de individuelle byggesten i cellulære strukturer - membraner, proteiner og RNA - kunne have co-lokaliseret i vandige miljøer på den gamle Jord.

"Celler består af meget forskellige typer strukturer med helt forskellige typer byggeklodser, og det har aldrig været klart, hvorfor de ville komme sammen på en funktionel måde, " sagde medkorresponderende forfatter Roy Black, en UW tilknyttet professor i kemi og bioteknik. "Antagelsen var bare, at - på en eller anden måde - kom de sammen."

Black kom til UW efter en karriere hos Amgen for muligheden for at udfylde det afgørende, mangler detaljer bag det "på en eller anden måde". Han slog sig sammen med Sarah Keller, en UW professor i kemi og en ekspert i membraner. Black var blevet inspireret af observationen af, at fedtsyremolekyler kan samle sig selv og danne membraner, og antog, at disse membraner kunne fungere som en gunstig overflade til at samle byggestenene af RNA og proteiner.

"Du kan forestille dig forskellige typer molekyler, der bevæger sig i ursuppen som fuzzy tennisbolde og hårde squashbolde, der hopper rundt i en stor kasse, der bliver rystet, " sagde Keller, som også er medkorresponderende forfatter på papiret. "Hvis du forer en overflade inde i kassen med velcro, så klæber kun tennisboldene til overfladen, og de vil ende tæt sammen. Roy havde indsigt i, at lokale koncentrationer af molekyler kunne forstærkes af en lignende mekanisme."

Holdet har tidligere vist, at byggestenene i RNA fortrinsvis binder til fedtsyremembraner og, overraskende, stabiliserer også de skrøbelige membraner mod skadelige virkninger af salt, en almindelig forbindelse på Jorden før og nu.

Holdet antog, at aminosyrer også kunne stabilisere membraner. De brugte en række eksperimentelle teknikker - inklusive lysmikroskopi, elektronmikroskopi og spektroskopi - for at teste, hvordan 10 forskellige aminosyrer interagerer med membraner. Deres eksperimenter viste, at visse aminosyrer binder sig til membraner og stabiliserer dem. Nogle aminosyrer udløste endda store strukturelle ændringer i membraner, såsom at danne koncentriske kugler af membraner - meget som lag af et løg.

"Aminosyrer beskyttede ikke kun vesikler mod afbrydelse af magnesiumioner, men de skabte også flerlagede vesikler – som indlejrede membraner, " sagde hovedforfatter Caitlin Cornell, en UW doktorand i Institut for Kemi.

Forskerne opdagede også, at aminosyrer stabiliserede membraner gennem ændringer i koncentrationen. Nogle videnskabsmænd har antaget, at de første celler kan være dannet i lavvandede bassiner, der gennemgik cyklusser med høje og lave koncentrationer af aminosyrer, efterhånden som vandet fordampede og som nyt vand skylledes ind.

De nye resultater af, at aminosyrer beskytter membraner - såvel som tidligere resultater, der viser, at RNA-byggesten kan spille en lignende rolle - indikerer, at membraner kan have været et sted for disse precursor-molekyler at co-lokalisere, giver en potentiel mekanisme til at forklare, hvad der samlede ingredienserne til livet.

Keller, Black og deres team vil vende deres opmærksomhed mod, hvordan co-lokaliserede byggeklodser gjorde noget endnu mere bemærkelsesværdigt:De bandt sig til hinanden for at danne funktionelle maskiner.

"Det er næste skridt, " sagde Black.

Deres igangværende indsats knytter også bånd på tværs af discipliner på UW.

"Universitetet i Washington er et usædvanligt godt sted at gøre opdagelser på grund af det videnskabelige samfunds entusiasme for at arbejde sammen om at dele udstyr og ideer på tværs af afdelinger og felter, " sagde Keller. "Vores samarbejde med Drobny Lab og Lee Lab var afgørende. Intet enkelt laboratorium kunne have gjort det hele."