Înainte de apariția vieții pe Pământ, mediul înconjurător conținea probabil un număr mare de substanțe chimice care reacționau unele cu altele mai mult sau mai puțin aleatoriu și nu este clar cum ar fi putut apărea lucruri atât de complexe precum celulele dintr-un astfel de haos chimic.
O echipă condusă de Tony Z. Jia de la Institutul de Științe ale Vieții Pământului (ELSI), pe Institutul de Tehnologie din Tokyo și Kuhan Chandru de la Universitatea Națională din Malaezia , a arătat că α-hidroxi-acizii simpli, cum ar fi acidul glicolic și acidul lactic, se polimerizează spontan și se asamblează în micropicături de poliester atunci când sunt uscate la temperaturi moderate, urmate de rehidratare, așa cum s-ar fi putut întâmpla de-a lungul plajelor primitive și pe malurile râurilor sau în bălți de apă. Acestea formează un nou tip de celulă compartimentată care poate reține și concentra biomoleculeleAceste picături, spre deosebire de majoritatea celulelor moderne, sunt capabile să fuzioneze și să se reformeze cu ușurință și, prin urmare, ar fi putut găzdui sisteme genetice și metabolice versatile, potențial esențiale pentru originea vieții.
Oamenii de știință din întreaga lume lucrează în mod activ pentru a înțelege cum a început viața.
Toate formele de viață moderne de pe Pământ, de la bacterii la oameni, sunt alcătuite din celule. Celulele sunt formate din lipide, proteine și acizi nucleici, lipidele formând membrana celulară, o incintă care ține laolaltă celelalte componente și face legătura cu mediul înconjurător, schimbând alimente și deșeuri. Cum s-au format ansambluri moleculare atât de complexe precum celulelerămâne un mister.
Majoritatea cercetărilor privind originile vieții se concentrează asupra modului în care moleculele și structurile prezente în viața contemporană au fost produse de mediu și apoi asamblate în structuri care au dus la apariția primelor celule. Cu toate acestea, probabil că au existat multe alte tipuri de molecule care s-au format alături de biomoleculele de la începuturile Pământului și este posibil ca viața să fi început folosind o structură foartesimple, fără legătură cu biomoleculele moderne, apoi au evoluat prin etape din ce în ce mai complexe pentru a da naștere structurilor întâlnite în celulele moderne.
Lucrările anterioare efectuate la ELSI au arătat că uscarea la temperatură moderată a unor compuși organici simpli cunoscuți sub numele de alfa-hidroxi-acizi, care se găsesc în meteoriți și în multe simulări de chimie prebiologică, îi polimerizează spontan în amestecuri lungi de poliester.
Monomerii de alfa-hidroxi-acid sunt uscați, rezultând sinteza unui gel de poliester. Acest gel este apoi rehidratat, rezultând asamblarea de microglobulețe. Credit: ELSI Pe baza acestei lucrări, Jia și colegii săi au făcut următorul pas și au examinat aceste reacții la microscop, descoperind că aceste sisteme mixte de poliester formează o fază de gel și se asamblează spontan atunci când sunt reumectate pentru a forma structuri simple asemănătoare celulelor.
Cel mai provocator aspect al acestei lucrări a fost crearea de noi metode de caracterizare a proprietăților și funcțiilor picăturilor, deoarece nimeni nu mai analizase astfel de sisteme până atunci. Jia a remarcat că echipa a fost norocoasă să aibă o asemenea diversitate de expertiză multidisciplinară, incluzând chimiști, biochimiști, oameni de știință în domeniul materialelor și geologi. După ce a determinat compoziția acestora și a arătatînclinația lor spre autoasamblare, următoarea întrebare a fost dacă aceste structuri celulare ar putea fi capabile să facă ceva util din punct de vedere chimic. Membranele celulare moderne îndeplinesc multe funcții cruciale care ajută la menținerea celulei; de exemplu, reținând macromoleculele și metaboliții într-un singur loc, precum și asigurând un mediu intern constant, care poate fi foarte diferit de cel din afara celulei.Aceștia au măsurat mai întâi cât de stabile sunt aceste structuri și au descoperit că ele pot persista pentru perioade foarte lungi de timp, în funcție de condițiile de mediu, dar pot fi, de asemenea, făcute să fuzioneze și să se unească.
Ei au testat apoi capacitatea acestor structuri de a sechestra molecule din mediul înconjurător și au descoperit că au acumulat molecule mari de colorant într-un grad remarcabil. Apoi au arătat că aceste picături pot găzdui și molecule de ARN și proteine, permițându-le în continuare să fie catalitice din punct de vedere funcțional. Mai mult, echipa a arătat că picăturile pot ajuta la formarea deun strat lipidic pe suprafața lor, ceea ce sugerează că acestea ar fi putut ajuta la formarea protocelulelor de schelă.
Jia și colegii săi nu sunt siguri că aceste structuri sunt strămoșii direcți ai celulelor, dar ei cred că este posibil ca astfel de picături să fi permis asamblarea protocelulelor pe Pământ.
Noul sistem de compartimentare pe care l-au descoperit este extrem de simplu, spun ei, și s-ar putea forma cu ușurință în mediile primitive din întregul Univers: "Acest lucru ne permite să ne imaginăm sisteme non-biologice de pe Pământul timpuriu care ar fi putut juca încă un rol în originea vieții pe Pământ. Acest lucru sugerează că ar putea exista multe alte sisteme non-biologice care ar trebui să fie ținte pentruviitoarele investigații de acest gen", spune Jia.
"Pământul timpuriu a fost cu siguranță un loc "murdar" din punct de vedere chimic", explică Jia, "și de multe ori majoritatea studiilor privind originile vieții se concentrează pe biomoleculele moderne în condiții relativ "curate". Ar putea fi important să luăm în considerare aceste amestecuri "murdare" și să vedem dacă există funcții sau structuri interesante care ar putea apărea din ele în mod spontan." Autorii cred căPrin creșterea sistematică a complexității chimice a acestor sisteme, ei vor putea observa modul în care acestea evoluează în timp și, eventual, vor putea descoperi proprietăți divergente și emergente.
"Avem acest nou sistem experimental cu care ne putem juca, așa că acum putem începe să studiem fenomene precum evoluția și evolutivitatea acestor picături. Combinațiile posibile de structuri sau funcții pe care le pot avea aceste picături sunt aproape infinite. Dacă regulile fizice care guvernează formarea picăturilor sunt destul de universale în natură, atunci sperăm să studiem sistemesimilare pentru a afla dacă pot forma și ele micropulberi cu proprietăți noi", adaugă Jia.
În cele din urmă, deși echipa se concentrează în prezent pe înțelegerea originilor vieții, ei remarcă faptul că această cercetare fundamentală ar putea avea aplicații în alte domenii, cum ar fi medicina personalizată: "Acesta este doar un exemplu minunat al modurilor neașteptate în care se pot dezvolta proiecte atunci când o echipă de oameni de știință diverși din întreaga lume se adună pentru a încerca să înțeleagă fenomene noi șiinteresant", a declarat Jim Cleaves, membru al echipei, tot de la ELSI.
SURSE / Tokyo Institute of Technology / DOI: 10.1073/pnas.1902336116
