Science Advances: Дождевая вода помогла сформировать первые стенки протоклеток

Один из главных вопросов о происхождении жизни — как капельки РНК, плававшие в первобытном супе, превратились в защищённые мембраной пакеты жизни, которые мы называем клетками?

Инженеры из Прицкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, факультета химической инженерии Хьюстонского университета и биологи с химического факультета Университета Чикаго предложили решение этой проблемы.

В журнале Science Advances опубликована работа, в которой Аман Агравал и его соавторы, включая Мэтью Тиррелла (нет, он не родственник тех самых Тирреллов) и Джека Шостака, показывают, как дождевая вода могла помочь создать сетчатую стену вокруг протоклеток 3,8 миллиарда лет назад. Это был критический шаг на пути от крошечных бусинок РНК ко всем живым существам.

Тиррелл говорит, что это необычное наблюдение.

В исследовании рассматриваются «коацерватные капли» — сгустки сложных молекул, таких как белки, липиды и РНК. Эти капли давно рассматривались как кандидат на создание первых протоклеток. Но возникла проблема.

Справка

Коацерватные капли — это сгустки органических веществ, которые могут отделяться от окружающей среды и обмениваться с ней веществами.

Это один из этапов эволюции, который описывает гипотезу о том, как появилась жизнь на Земле. Согласно этой гипотезе, коацерваты были первыми структурами, способными к обмену веществ и размножению.

Коацерватные капли образуются при смешивании разных типов белков или других сложных молекул в растворе. Они могут поглощать другие вещества из раствора, увеличиваться и делиться на более мелкие капли. Но они не обладают всеми свойствами живых организмов и не считаются полноценными живыми системами.

Дело не в том, что капли не могли обмениваться молекулами между собой, а в том, что они делали это слишком хорошо и быстро. Любая капля, содержащая новую мутацию РНК, обменивалась этой РНК с другими каплями в течение нескольких минут. Все капли быстро становились одинаковыми. Без дифференциации и конкуренции невозможна эволюция.

Если молекулы будут постоянно обмениваться между клетками, то все клетки станут одинаковыми. В результате не будет эволюции, потому что получатся идентичные клоны, — говорит Агравал.

Инженерное решение

Шостак, директор Чикагского центра происхождения жизни, считает естественным сотрудничество с UChicago PME и факультетом химической инженерии Хьюстонского университета.

Шостак объясняет это тем, что инженеры уже давно изучают физическую химию подобных комплексов и химию полимеров в целом. Поэтому в инженерной школе есть специалисты, которые могут помочь в изучении происхождения жизни.

В начале 2000-х годов Шостак начал изучать РНК как первый биологический материал. Это позволило решить проблему, которая раньше ставила исследователей в тупик.

Агравал сравнил вопрос о первичности ДНК или белков с проблемой курицы и яйца. Он сказал, что ни одна из этих молекул не могла появиться первой.

ДНК не может выполнять функции, но кодирует информацию. Белки выполняют функции, но не могут хранить информацию.

По мнению Агравала, первой появилась РНК. Она «позаботилась обо всём», а белки и ДНК постепенно развились из неё. РНК похожа на ДНК тем, что тоже может кодировать информацию, но при этом складывается, как белки, и может выполнять такие функции, как катализ.

РНК и коацерватные капли рассматривались как первые биологические материалы.

Однако Сзостак в 2014 году опубликовал работу, в которой показал, что РНК в коацерватных каплях обменивается слишком быстро. Это вызывало проблемы для данной теории.

Учёный предложил решение: поместить капли коацервата в дистиллированную воду. Вокруг них образуется жёсткая оболочка, которая не даёт им обмениваться содержанием РНК.

Спонтанное возгорание идей

Агравал изучал поведение капель коацервата под воздействием электрического поля во время своей докторской диссертации в Хьюстонском университете. Исследование не было связано с происхождением жизни, а рассматривало интересный материал с инженерной точки зрения.

Профессор Хьюстонского университета Аламгир Карим, бывший научный руководитель Агравала и старший соавтор новой работы, говорит, что инженеры хорошо знают, как манипулировать свойствами материалов. Это ключевые аспекты мира сложных жидкостей, таких как шампунь и жидкое мыло.

Агравал хотел изучить и другие свойства коацерватов в своей диссертации. Карим, который десятилетиями ранее работал в Университете Миннесоты под руководством Тиррелла (впоследствии декана-основателя Школы молекулярной инженерии Прицкера Университета Чикаго), не занимался этой областью исследований.

Во время обеда с Агравалом и Каримом Тиррелл заговорил о том, как исследование влияния дистиллированной воды на коацерватные капли может быть связано с происхождением жизни на Земле. Он спросил, где могла существовать дистиллированная вода 3,8 миллиарда лет назад.

Карим вспоминает: «Я спонтанно ответил: „Дождевая вода!“ Тиррелл был очень взволнован таким предложением».

Тиррелл принёс исследование дистиллированной воды Агравала Шостаку, который недавно стал главой Инициативы происхождения жизни в Чикагском университете. Тиррелл спросил его о том же, о чём и Карима: «Как вы думаете, откуда могла взяться дистиллированная вода в пребиотическом мире?»

Шостак ответил: «Дождь».

Агравал работал с образцами РНК, полученными от Шостака. Он обнаружил, что перенос капель коацервата в дистиллированную воду увеличивает временной масштаб обмена РНК — с нескольких минут до нескольких дней. Этого времени было достаточно для мутаций, конкуренции и эволюции.

Агравал считает, что если популяции протоклеток не будут обмениваться генетическим материалом и стабилизируются, то они смогут эволюционировать. Для этого необходимо, чтобы протоклетки сохраняли свою генетическую информацию в течение хотя бы нескольких дней — тогда в их генетических последовательностях смогут произойти мутации.

Дождь, проверено

Агравал экспериментировал с деионизированной водой, которая очищается в лабораторных условиях. Это заинтересовало рецензентов журнала, и они спросили, что будет, если пребиотическая дождевая вода будет очень кислой.

Лабораторная вода не содержит загрязняющих веществ, солей и имеет нейтральный pH. Она максимально далека от реальных условий. Поэтому учёные собрали воду из дождя в Хьюстоне и проверили устойчивость своих капель в ней.

В ходе испытаний с настоящей дождевой водой и с лабораторной, имитирующей кислотность дождевой воды, были получены одинаковые результаты.

Сформировались сетчатые стенки, создав условия для зарождения жизни. Однако химический состав современного дождя в Хьюстоне отличается от того, что мог бы выпасть на Земле через 750 миллионов лет. Это же можно сказать о модели протоклеточной системы, которую тестировал Агравал.

Новая работа доказывает, что создание сетчатой стены вокруг протоклеток возможно и может работать вместе для разделения молекул жизни. Это приближает к поиску правильного набора химических и экологических условий, позволяющих протоклеткам эволюционировать.

Агравал отмечает, что используемые молекулы — это лишь модели, и химия будет немного отличаться, но физика останется прежней.

21.08.2024