Forskere identificerer et molekyle, der kunne have hjulpet celler med at overleve - og trives - på den tidlige jord

For virkelig at forstå, hvordan kroppen fungerer og forbedre menneskers sundhed, forskere skal pirre byggestenene i vores celler fra hinanden. Men som forskere fortsætter med at gøre store gennembrud inden for cellulær biologi, et vigtigt spørgsmål dvæler:Hvordan blev celler oprindeligt dannet for milliarder af år siden?

En ny undersøgelse, ledet af Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., af Scripps Research, og Sheref Mansy, Ph.D., fra universitetet i Trento, giver en forklaring på, hvordan "protoceller" kunne være opstået på den tidlige Jord, til sidst fører til de celler, vi kender i dag. Deres arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Lille , tyder på, at molekyler kaldet cyclophospholipider kan have været den nødvendige ingrediens for protoceller til at danne vigtige indre strukturer kaldet vesikler, hvilket sandsynligvis satte gang i den evolutionære proces.

"Protoceller ville have været forfædre til celler i dag, hvis du vil, " siger Krishnamurthy, en lektor i kemi ved Scripps Research. "De havde ikke den fulde funktionalitet af moderne celler, men de havde forløberens adfærd til at lægge grundlaget for det, der kom bagefter."

Krishnamurthy er medlem af Simons Collaboration on the Origins of Life og har en fælles aftale med Center for Chemical Evolution, medfinansieret af NASA Astrobiology-programmet og National Science Foundation. Ligesom mange inden for hans felt, Krishnamurthy er nysgerrig efter, hvordan tidlige vesikler ville have fungeret.

Celler i dag vrimler med forskellige molekyler og kemiske reaktioner, men protoceller ville have været meget enklere, som vesikler. En egenskab, som disse vesikler havde, var indre hule områder kaldet lumen - rum, der kunne fange større og større molekyler, der var nødvendige til opgaver som at danne RNA og lave proteiner, de byggesten, der er nødvendige for livet.

Til sidst, takket være vesikler, protoceller kunne have delt sig i mere avancerede generationer af protoceller, der tog næringsstoffer ind fra miljøet for at vokse og dele sig igen.

Den nye undersøgelse tilbyder en enkel løsning på gåden om, hvordan stabile vesikler kunne have udviklet sig. I fortiden, forskere forsøgte at bruge molekyler kaldet fedtsyrer til at bygge vesikler, men disse vesikler ville reagere på metalioner og falde fra hinanden.

"Fedtsyrevesikler overlever bare ikke mange af de tilstande, der findes på Jorden, og bestemt ikke de typer betingelser, der er nødvendige for at få aktivitet ud af biologisk-lignende molekyler, " siger Mansy. "Denne kløft mellem plausibilitet og stabilitet har gjort det svært for os at forestille os, hvordan protoceller kunne være opstået."

Forskere havde aldrig før prøvet at bruge cyclophospholipider til at danne vesikler, men i 2018 Krishnamurthys laboratorium udgav en Naturkemi undersøgelse, der viser, at forholdene på den tidlige jord kunne have ført til cyclophospholipider.

Efter at have demonstreret, at cyclophospholipider kunne have eksisteret i livets tidlige dage, forskerne satte sig for at se, om molekylerne kunne hjælpe protoceller med at bygge vesikler. "Vi vidste ikke, om de ville være stabile nok til at være nyttige eller funktionelle, " siger Krishnamurthy.

Det viste sig, at de nye vesikler var overraskende stabile. De stod op til en bredere vifte af fysiske og kemiske forhold end fedtsyrevesikler, herunder ændringer i pH. Faktisk, de nye resultater tyder på, at cyclophospholipider kunne være det ideelle grundlag for de vesikler, der gjorde det muligt for protoceller at udvikle sig.

"Professor Krishnamurthys arbejde med præbiotisk phosphorylering førte os til at udforske en ny type lipid, der viser meget lovende i at hjælpe os til i det mindste at forstå, hvilke slags kemiske egenskaber der var nødvendige for at bygge en præbiotisk rimelig og robust protocelle, " siger Mansy.

Forskerne forbereder sig nu på at køre cyclophospholipid-vesikler gennem endnu mere anstrengende tests, besvare dybere spørgsmål. De vil gerne vide, om disse vesikler er kompatible med andre vigtige processer, der er nødvendige for evolution, såsom ikke-enzymatisk RNA-replikation.

Studiet, "Cyclophospholipider øger protocellulær stabilitet til metalioner, " inkluderede også førsteforfatter Ö. Duhan Toparlak fra University of Trento; og Megha Karki og Veronica Egas Ortuno fra Scripps Research.