Немногие вопросы так захватывают человечество, как происхождение жизни на Земле. Как появились первые живые клетки? Как у ранних протоклеток сформировались структурные мембраны, необходимые для того, чтобы клетки могли жить и собираться в сложные организмы? Новое исследование, проведенное в лаборатории профессора химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего Нила Девараджа, позволило найти правдоподобное объяснение, связанное с реакцией между двумя простыми молекулами. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry.
Для жизни на Земле необходимы липидные мембраны – структура клетки, которая содержит внутреннюю механику и служит основой для многих биологических реакций. Липиды состоят из длинных цепочек жирных кислот. Но как до появления сложной жизни из простых молекул, существовавших на Земле миллиарды лет назад, образовались первые клеточные мембраны?
Ученые полагают, что простые молекулы коротких жирных цепочек с менее чем 10 углерод-углеродными связями (сложные жирные цепочки могут содержать почти вдвое больше связей) были в изобилии на ранней Земле. Однако молекулы с более длинными цепочками необходимы для формирования везикул – отсеков, в которых хранятся сложные механизмы клетки.
Хотя некоторые простые жирные молекулы могли сами по себе образовывать липидные отсеки, они должны были находиться в очень высоких концентрациях, которых, скорее всего, не было на пребиотической Земле – в то время, когда условия на планете могли быть благоприятными для жизни, но ее еще не было.
«На первый взгляд, это не кажется чем-то необычным, поскольку производство липидов постоянно происходит в присутствии ферментов», – заявил Деварадж, который также является заведующим кафедрой химии и биохимии. «Но более 4 миллиардов лет назад ферментов не было. Однако каким-то образом первые протоклеточные структуры были сформированы. Как? На этот вопрос мы и пытались ответить».
Чтобы найти объяснение первым липидным мембранам, команда Девараджа начала с двух простых молекул: аминокислоты цистеина и короткоцепочечного тиоэфира холина, сходных с молекулами, участвующими в биохимическом образовании и распаде жирных кислот.
В качестве минерального катализатора исследователи использовали кварцевое стекло, поскольку отрицательно заряженный кварц притягивался к положительно заряженному тиоэфиру. На поверхности кремнезема цистеин и тиоэфиры спонтанно вступали в реакцию с образованием липидов, создавая протоцеллюлозные мембранные везикулы, достаточно устойчивые для поддержания биохимических реакций. Это происходило при более низких концентрациях, чем те, которые потребовались бы в отсутствие катализатора.
«Часть нашей работы заключается в попытке понять, как жизнь может возникнуть в отсутствие жизни. Как изначально произошел этот переход от материи к жизни?» – говорит Деварадж. «Здесь мы представили одно из возможных объяснений того, что могло произойти».
[Фото: ru.123rf.com]