Жизнь могла стать клеточной благодаря необычным молекулам

Все современные живые организмы состоят из клеток. Однако происхождение клеточной организации остается неясным. Новое исследование под руководством Тони З. Джиа из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института показало, что простые химические соединения — гидроксикислоты, вероятно распространенные на ранней Земле, — при высыхании из раствора спонтанно связываются и образуют структуры, напоминающие современные клетки. Это могло происходить в древних лужах или на побережьях. Полученные структуры могли послужить основой для возникновения биологической клеточности.

Границы современных клеток (мембраны) обычно состоят из липидов — амфифильных молекул, которые самопроизвольно образуют в воде ограниченные структуры, везикулы. Ученые предполагают, что способность формировать мембрану — более общее свойство многих типов молекул.

Ранее Джиа и коллеги показали, что гидроксикислоты могут легко соединяться, образуя более крупные молекулы с амфифильными свойствами. В новой работе они продемонстрировали, что добавление в исходную смесь еще одного типа гидроксикислоты (с положительным зарядом) приводит к образованию новых полиэфиров. Эти полиэфиры спонтанно самоорганизуются в неожиданные клеткоподобные структуры (капли), а не в мешкообразные везикулы, как липиды.

Эти новые структуры проявляют эмерджентные функции, такие как способность сегрегировать нуклеиновые кислоты (необходимые для наследственности) или испускать флуоресцентный свет. Незначительные изменения химической сложности могут приводить к серьезным функциональным изменениям. Ученые предполагают, что дальнейшее увеличение сложности системы может привести к появлению новых функций в примитивных компартментах, что поможет понять возникновение первых клеток.

Эта работа имеет и практическое значение. Например, основные вакцины против COVID-19 (Moderna, Pfizer) используют дисперсию молекул РНК в метаболизируемых липидных каплях. Разработанные Джиа и коллегами системы на основе полиэфирных капель могут быть аналогично биодеградируемы in vivo и полезны для доставки лекарств.