Эти клетки столкнулись с химической головоломкой. Им нужны были определенные ионы из супа для выполнения основных функций. Но эти заряженные ионы разрушили бы простые мембраны, в которые заключены клетки.
Команда исследователей из Вашингтонского университета решила эту загадку, используя только молекулы, которые присутствовали бы на ранней Земле.
Используя заполненные жидкостью отсеки размером с клетку, окруженные мембранами из молекул жирных кислот, команда обнаружила, что аминокислоты, строительные блоки белков, могут стабилизировать мембраны против ионов магния. Их результаты подготовили почву для первых клеток, которые закодировали свою генетическую информацию в РНК, молекуле, связанной с ДНК, для производства которой требуется магний, сохраняя при этом стабильность мембраны.
Результаты, опубликованные на неделе августа. 12 в Трудах Национальной академии наук, выходят за рамки объяснения того, как аминокислоты могли стабилизировать мембраны в неблагоприятных условиях.
Они также демонстрируют, как отдельные строительные блоки клеточных структур – мембраны, белки и РНК – могли совместно локализоваться в водной среде на древней Земле.
«Клетки состоят из очень разных типов структур с совершенно разными типами строительных блоков, и никогда не было ясно, почему они объединяются функционально», – сказал соавтор-корреспондент Рой Блэк, аффилированный профессор химии UW. и биоинженерия. "Предполагалось, что – каким-то образом – они собрались вместе."
Блэк пришел в UW после карьеры в Amgen ради возможности восполнить важные, недостающие детали, стоящие за этим «каким-то образом»."Он объединился с Сарой Келлер, профессором химии из Вашингтонского университета и экспертом по мембранам.
Блэка вдохновило наблюдение, что молекулы жирных кислот могут самоорганизовываться с образованием мембран, и предположил, что эти мембраны могут действовать как благоприятная поверхность для сборки строительных блоков РНК и белков.
«Вы можете представить себе различные типы молекул, движущихся внутри изначального супа, как нечеткие теннисные мячи и твердые мячи для сквоша, подпрыгивающие в большом ящике, который встряхивают», – сказал Келлер, который также является соавтором-корреспондентом статьи. "Если вы застелите одну поверхность внутри коробки липучкой, то только теннисные мячи будут прилипать к этой поверхности, и в конечном итоге они окажутся близко друг к другу. Рой понял, что локальные концентрации молекул могут быть увеличены с помощью аналогичного механизма."
Команда ранее показала, что строительные блоки РНК преимущественно прикрепляются к мембранам из жирных кислот и, что удивительно, также стабилизируют хрупкие мембраны против пагубного воздействия соли, обычного соединения на Земле в прошлом и настоящем.
Команда предположила, что аминокислоты также могут стабилизировать мембраны. Они использовали различные экспериментальные методы, включая световую микроскопию, электронную микроскопию и спектроскопию, чтобы проверить, как 10 различных аминокислот взаимодействуют с мембранами.
Их эксперименты показали, что определенные аминокислоты связываются с мембранами и стабилизируют их. Некоторые аминокислоты даже вызвали большие структурные изменения в мембранах, такие как формирование концентрических сфер мембран, очень похожих на слои лука.
«Аминокислоты не только защищали везикулы от разрушения ионами магния, но они также создавали многослойные везикулы, подобные вложенным мембранам», – сказала ведущий автор Кейтлин Корнелл, докторант кафедры химии Университета штата Вашингтон.
Исследователи также обнаружили, что аминокислоты стабилизируют мембраны за счет изменения концентрации. Некоторые ученые предположили, что первые клетки, возможно, сформировались в неглубоких бассейнах, которые прошли циклы высоких и низких концентраций аминокислот по мере испарения воды и смывания новой воды.
Новые данные о том, что аминокислоты защищают мембраны, а также предыдущие результаты, показывающие, что строительные блоки РНК могут играть аналогичную роль, указывают на то, что мембраны могли быть местом совместной локализации этих молекул-предшественников, обеспечивая потенциальный механизм для объяснения что объединило ингредиенты для жизни.
Келлер, Блэк и их команда обратят свое внимание на то, как совместные локализованные строительные блоки сделали нечто еще более замечательное: они связались друг с другом, чтобы сформировать функциональные машины.
«Это следующий шаг», – сказал Блэк.
Их постоянные усилия также налаживают связи между дисциплинами в UW.
«Вашингтонский университет – необычайно хорошее место для открытий из-за энтузиазма научного сообщества к совместной работе по обмену оборудованием и идеями между отделами и областями», – сказал Келлер. "Наше сотрудничество с Drobny Lab и Lee Lab было очень важным.
Ни одна лаборатория не смогла бы сделать все."
Соавторы: Гэри Дробный, профессор химии Университета штата Вашингтон; Келли Ли, адъюнкт-профессор медицинской химии UW; Докторанты Университета штата Вашингтон Мэнцзюнь Сюэ и Хелен Литц с кафедры химии и Джеймс Уильямс с кафедры медицинской химии; Аспиранты UW Захари Коэн с кафедры химии и Александр Милеант по программе аспирантуры по биологической структуре, физике и дизайну; и выпускники UW Эндрю Рамзи и Моше Гордон.
Исследование финансировалось НАСА, Национальным институтом здравоохранения и Национальным научным фондом.