Science Advances: дождевая вода помогла сформировать первые стенки протоклеток
Один из главных оставшихся без ответа вопросов о происхождении жизни заключается в том, как капельки РНК, плавающие в первичном бульоне, превратились в защищенные мембраной пакеты жизни, которые мы называем клетками.
В новой статье инженеров из Школы молекулярной инженерии имени Притцкера Чикагского университета (UChicago PME), кафедры химической инженерии Хьюстонского университета и биологов с химического факультета Чикагского университета предложено решение.
В статье, опубликованной в журнале Science Advances, Аман Агравал из Чикагского университета с соавторами показывают, как дождевая вода могла помочь создать сетчатую стену вокруг протоклеток 3,8 миллиарда лет назад, что стало критическим шагом в переходе от крошечных частиц РНК к каждой когда-либо жившей бактерии, растению, животному и человеку.
«Это необычное и новое наблюдение», — сказал соавтор исследования Мэтью Тиррелл.
Исследование рассматривает «коацерватные капли» — естественные компартменты сложных молекул, таких как белки, липиды и РНК. Капли, которые ведут себя как капли масла для жарки в воде, давно рассматривались как кандидаты на роль первых протоклеток. Но была проблема. Дело не в том, что эти капли не могли обмениваться молекулами друг с другом, что является ключевым шагом в эволюции, проблема была в том, что они делали это слишком хорошо и слишком быстро.
Любая капля, содержащая новую, потенциально полезную преджизненную мутацию РНК, обменяет эту РНК с другими каплями РНК в течение нескольких минут, то есть они быстро станут одинаковыми. Не будет никакой дифференциации и никакой конкуренции — то есть никакой эволюции. А это значит, что жизни нет.
«Если молекулы постоянно обмениваются между каплями или между клетками, то все клетки через короткое время будут выглядеть одинаково, и никакой эволюции не будет, потому что в итоге вы получите идентичные клоны», — сказал Агравал.
Жизнь по своей природе междисциплинарна, поэтому соавтор исследования Джек Шостак сказал, что было естественным сотрудничать как с UChicago PME, междисциплинарной школой молекулярной инженерии при Чикагском университете, так и с кафедрой химической инженерии Хьюстонского университета.
«Инженеры уже давно изучают физическую химию этих типов комплексов — и полимерную химию в целом. Логично, что в инженерной школе есть эксперты», — сказал Шостак. «Когда мы рассматриваем что-то вроде происхождения жизни, это настолько сложно и в этом так много деталей, что нам нужны люди, которые имеют хоть какой-то соответствующий опыт».
В начале 2000-х годов Шостак начал рассматривать РНК как первый биологический материал, который можно было бы разработать. Это решило проблему, которая долгое время ставила в тупик исследователей, рассматривавших ДНК или белки как самые ранние молекулы жизни.
«Это как проблема курицы и яйца. Что было первым?» — сказал Агравал. «ДНК — это молекула, которая кодирует информацию, но она не может выполнять никаких функций. Белки — это молекулы, которые выполняют функции, но они не кодируют никакой наследственной информации».
Такие исследователи, как Шостак, предположили, что сначала возникла РНК, которая, по словам Агравала, «заботилась обо всем», а белки и ДНК постепенно эволюционировали из нее.
«РНК — это молекула, которая, как и ДНК, может кодировать информацию, но она также сворачивается подобно белкам, так что может выполнять такие функции, как катализ», — сказал Агравал.
РНК была вероятным кандидатом на роль первого биологического материала. Коацерватные капли были вероятными кандидатами на роль первых протоклеток. Коацерватные капли, содержащие ранние формы РНК, казались естественным следующим шагом.
Так продолжалось до тех пор, пока Шостак не охладил пыл этой теории, опубликовав в 2014 году статью, в которой было показано, что РНК в коацерватных каплях обменивается слишком быстро.
«Вы можете создавать всевозможные капли различных типов коацерватов, но они не сохраняют свою отдельную идентичность. Они имеют тенденцию слишком быстро обмениваться своим РНК-содержимым. Это давняя проблема», — сказал Шостак. «В этой новой статье мы показали, что можно преодолеть по крайней мере часть этой проблемы, перенеся эти коацерватные капли в дистиллированную воду, например, дождевую или пресную воду любого типа, и они получат своего рода жесткую оболочку вокруг капель, которая не позволит им обмениваться содержимым РНК».
Агравал начал переносить капли коацервата в дистиллированную воду во время своей докторской диссертации в Университете Хьюстона, изучая их поведение в электрическом поле. На тот момент исследование не имело никакого отношения к происхождению жизни, а просто изучало увлекательный материал с инженерной точки зрения.
«Инженеры, особенно химики и материаловеды, хорошо знают, как манипулировать свойствами материалов, такими как межфазное натяжение, роль заряженных полимеров, соль, контроль pH и т. д.», — сказал профессор Хьюстонского университета Аламгир Карим, бывший научный руководитель Агравала и старший соавтор новой статьи. «Все это ключевые аспекты мира, широко известного как «сложные жидкости» — вспомните шампунь и жидкое мыло».
Агравал хотел изучить другие фундаментальные свойства коацерватов во время своей докторской диссертации. Это не было областью исследований Карима, но Карим десятилетиями ранее работал в Университете Миннесоты под руководством одного из ведущих мировых экспертов — Тиррелла, который впоследствии стал деканом-основателем Школы молекулярной инженерии имени Притцкера в Чикагском университете.
Во время обеда с Агравалом и Каримом Тирелл поднял вопрос о том, как исследования воздействия дистиллированной воды на коацерватные капли могут быть связаны с происхождением жизни на Земле. Тирелл спросил, где могла существовать дистиллированная вода 3,8 миллиарда лет назад.
«Я спонтанно сказал «дождевая вода!» Его глаза загорелись, и он был очень взволнован этим предложением», — сказал Карим. «Так что можно сказать, что это было спонтанное возгорание идей или идеации!»
Тиррелл принес исследование Агравала по дистиллированной воде Шостаку, который недавно присоединился к Чикагскому университету, чтобы возглавить то, что тогда называлось Инициативой по происхождению жизни. Он задал тот же вопрос, что и Кариму.
«Я сказал ему: «Как ты думаешь, откуда могла взяться дистиллированная вода в добиологическом мире?» — вспоминает Тирелл. «И Джек сказал именно то, на что я надеялся, а именно — дождь».
Работая с образцами РНК из Шостака, Агравал обнаружил, что перенос капель коацервата в дистиллированную воду увеличивает временной масштаб обмена РНК — с нескольких минут до нескольких дней. Этого было достаточно для мутации, конкуренции и эволюции.
«Если у вас есть нестабильные популяции протоклеток, они будут обмениваться своим генетическим материалом друг с другом и становиться клонами. Дарвиновская эволюция невозможна», — сказал Агравал. «Но если они стабилизируются против обмена, так что они достаточно хорошо сохранят свою генетическую информацию, по крайней мере, в течение нескольких дней, так что мутации могут произойти в их генетических последовательностях, тогда популяция может эволюционировать».
Первоначально Агравал экспериментировал с деионизированной водой, которая очищается в лабораторных условиях. «Это побудило рецензентов журнала задаться вопросом, что произойдет, если пребиотическая дождевая вода будет очень кислой», — сказал он.
Коммерческая лабораторная вода свободна от всех загрязняющих веществ, не содержит соли и имеет нейтральный pH, идеально сбалансированный между основанием и кислотой. Короче говоря, это примерно так далеко от реальных условий, как только может быть материал. Им нужно было работать с материалом, более похожим на настоящий дождь.
«Мы просто собрали дождевую воду в Хьюстоне и проверили стабильность наших капель в ней, просто чтобы убедиться, что наши данные точны», — сказал Агравал.
В тестах с настоящей дождевой водой и с лабораторной водой, модифицированной для имитации кислотности дождевой воды, они получили те же результаты. Образовались сетчатые стенки, создающие условия, которые могли бы привести к возникновению жизни.
Химический состав дождя, выпавшего над Хьюстоном в 2020-х годах, не соответствует тому, который выпал бы через 750 миллионов лет после образования Земли, и то же самое можно сказать о модельной системе протоклеток, которую тестировал Агравал.
Новая статья доказывает, что такой подход к построению сетчатой стенки вокруг протоклеток возможен и может совместно работать над разделением молекул жизни, приближая исследователей к поиску правильного набора химических и экологических условий, которые позволят протоклеткам эволюционировать.
«Молекулы, которые мы использовали для создания этих протоклеток, — это всего лишь модели, пока не будут найдены более подходящие молекулы в качестве заменителей», — сказал Агравал. «Хотя химия будет немного иной, физика останется прежней».
Обсудим?
Смотрите также:
