Ученые выяснили, как ранние клеточные мембраны повлияли на происхождение жизни

Фото из открытых источников

Мембранные компартменты (везикулы) были получены из двух фосфолипидов с различными структурами ацильных цепей, каждый из которых инкапсулировал различный вид ДНК. При многократных циклах замораживания-оттаивания (З/О) везикулы увеличивались в размере, и были обнаружены явные композиционные смещения в сторону PLPC — вида липидов с более высокой склонностью к росту, — а также в сторону молекул ДНК, первоначально инкапсулированных в везикулы PLPC. Эти результаты демонстрируют, что пребиотические колебания окружающей среды, вызванные циклами З/О, могут управлять процессами роста, отбора и наследования в примитивных мембранных компартментах.

Современные клетки представляют собой сложные химические структуры с цитоскелетом, тонко регулируемыми внутренними и внешними молекулами, а также генетическим материалом, определяющим практически все аспекты их функционирования. Эта сложность позволяет клеткам выживать в самых разнообразных средах и конкурировать на основе своей приспособленности. Однако самые ранние примитивные клетки представляли собой не более чем небольшие компартменты, где мембрана из липидов окружала простые органические молекулы. Преодоление разрыва между простыми протоклетками и сложными современными клетками является одним из основных направлений исследований происхождения жизни на Земле.

Новое исследование, проведенное группой ученых, включая сотрудников Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского института науки, изучает поведение простых клеточных компартментов в физически реалистичных неравновесных условиях, характерных для ранней Земли. Вместо выдвижения конкретной гипотезы происхождения жизни, работа экспериментально исследует, как различия в составе мембран влияют на рост протоклеток, их слияние и сохранение биомолекул во время циклов замораживания-оттаивания.

Исследовательская группа изучала влияние липидного состава на рост протоклеток. Для этого были созданы небольшие сферические компартменты, называемые большими однослойными везикулами (LUV), с использованием трех типов фосфолипидов: POPC ( 1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфохолин ; 16:0–18:1 PC), PLPC ( 1-пальмитоил-2-линолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин ; 16:0–18:2 PC) и DOPC ( 1,2-ди-олеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин ; 18:1 (D9-цис) PC).

«Мы использовали фосфатидилхолин (ФХ) в качестве компонентов мембраны, благодаря его химической структурной преемственности с современными клетками, потенциальной доступности в пребиотических условиях и способности сохранять необходимые компоненты», — сказал соавтор исследования Тацуя Синода из ELSI. Однако между этими молекулами существуют небольшие, но важные различия. POPC имеет одну ненасыщенную ацильную цепь с одной двойной связью. PLPC также содержит одну ненасыщенную ацильную цепь, но с двумя двойными связями. DOPC имеет две ненасыщенные ацильные цепи с одной двойной связью на каждой цепи. В результате POPC образует относительно жесткие мембраны, тогда как PLPC и DOPC образуют более текучие мембраны.

Затем липосомы (LUV) подвергали циклам замораживания/оттаивания (F/T) для имитации температурных циклов, вызывающих физические изменения в протоячейках. После трех циклов F/T богатые POPC липосомы образовывали агрегаты из множества везикул, находящихся в тесном контакте, тогда как богатые PLPC или DOPC липосомы сливались, образуя гораздо более крупные компартменты. Вероятность слияния и роста везикул возрастала с увеличением содержания PLPC. Эти результаты ясно показывают, что фосфолипиды с большим количеством ненасыщенных связей с большей вероятностью сливались и росли. «Под воздействием стресса, вызванного образованием кристаллов льда, мембраны могут дестабилизироваться или фрагментироваться, что требует структурной реорганизации при оттаивании. Неплотно упакованная латеральная организация, обусловленная более высокой степенью ненасыщенности, может обнажать больше гидрофобных областей во время реконструкции мембраны, облегчая взаимодействие с соседними везикулами и делая слияние энергетически выгодным», — отметила Нацуми Нода, исследовательница из ELSI.

Но что это значит для происхождения жизни? Когда LUV-везикулы сливаются, их содержимое может смешиваться и взаимодействовать. В «супе» органических молекул на первобытной Земле эти эпизоды слияния могли сближать важные молекулы, где они могли вступать в реакцию и становиться более похожими на то, что мы сегодня называем клетками. Команда подтвердила это, изучив, насколько хорошо LUV-везикулы, на 100% состоящие из POPC и на 100% из PLPC, сохраняли ДНК. Везикулы PLPC не только лучше захватывали ДНК до цикла заморозки/заморозки, но и с каждым циклом заморозки/заморозки сохраняли больше ДНК, чем везикулы POPC.

Циклы засухи и увлажнения на поверхности Земли и гидротермальные источники в глубоководных районах океана — два наиболее распространённых места, где, как считается, происходила химическая и пребиотическая эволюция. Настоящее исследование предполагает, что ледяная среда также могла сыграть важную роль. На первобытной Земле циклы заморозки и оттаивания происходили бы в течение длительных периодов. Образование льда вытесняло бы растворённые вещества из растущих кристаллов льда и увеличивало бы локальную концентрацию органических молекул и везикул. Фосфолипиды с более высокой степенью ненасыщенности образуют более рыхлые мембраны, что облегчает слияние везикул и перемешивание их содержимого. С другой стороны, компартмент, состоящий из более жидких фосфолипидов, может дестабилизироваться под воздействием стресса, вызванного циклами заморозки и оттаивания, что приводит к утечке его инкапсулированного содержимого.

Проницаемость и стабильность — противоречивые требования, и состав липидного компартмента, который является «наиболее приспособленным», будет меняться в зависимости от условий окружающей среды. «Рекурсивный отбор везикул, выращенных под действием F/T, в последовательных поколениях может быть реализован путем интеграции механизмов деления, таких как осмотическое давление или механическое сдвиговое воздействие. С увеличением молекулярной сложности внутривезикулярная система, то есть функция, закодированная генами, в конечном итоге может взять на себя функцию протоклеточного организма, что, следовательно, приведет к появлению примитивной клетки, способной к дарвиновской эволюции», — заключает соавтор исследования профессор Томоаки Мацуура из ELSI.