Тепловые потоки в порах могут имитировать функции клеточной мембраны
Исследователи из команды профессора LMU Дитера Брауна в исследовании, опубликованном в Nature Physics, предложили возможное решение классической проблемы «курицы и яйца» в происхождении жизни: как мог возникнуть метаболизм без клеточной мембраны и наоборот.
Протоклетка без мембраны
Учёные показали, что простой поток тепла через тонкие, заполненные водой поры может накапливать разнообразные молекулы с различными химическими и физическими свойствами. В этом ограниченном пространстве молекулы могут взаимодействовать и вступать в реакции даже в отсутствие клеточной мембраны.
В такой простой протоклетке температурный градиент берёт на себя функции мембраны, создавая границу между зоной реакции и разбавленной водой, но не физический барьер.
«Наши исследования показывают, что этот простой физический механизм, который был очень распространён на ранней Земле, может выполнять многие функции, для которых обычно требуется клеточная мембрана», — говорит руководитель исследования Дитер Браун. Результаты предполагают, что нагретые поры в горных породах могли быть естественной средой, в которой возникли биологические клетки.
Моделирование в лаборатории
При приложении температурного градиента к тонкой, заполненной водой поре большинство разбавленных молекул накапливается на холодной стороне. Команда смоделировала эту среду в лаборатории, используя специальные камеры из тонкого слоя воды между оптически прозрачными пластинами.
В эксперименте исследователи тестировали условия, при которых производится так называемый суперфолдерный зелёный флуоресцентный белок (sfGFP). Смесь в камерах содержала более 100 различных компонентов: от аминокислот и нуклеотидов — строительных блоков белков и РНК — до рибосом и полимераз, высокоспециализированных молекулярных машин, присутствующих во всех живых организмах.
«При сильном разбавлении реакция становится неактивной и не может производить маркерный белок», — говорит Браун. Однако при инкубации в «тепловой камере» компоненты накапливаются до достаточного уровня, чтобы реакция запустилась и начала синтезировать sfGFP.
Перспективы для биотехнологии
«Хотя текущий экспериментальный дизайн ограничен физическими параметрами камеры и достижимой разницей температур, на ранней Земле это не было бы проблемой. Повсеместное наличие заполненных водой пор всех форм и размеров обеспечивало бы большое разнообразие пребиотических реакционных контейнеров», — говорит ведущий автор статьи Александр Флорони.
Эти открытия дают новое представление о возможности метаболизма до инкапсуляции в мембраны и возникновения клеточной жизни. Более того, они предлагают новые подходы в биотехнологии для создания синтетических живых систем в лаборатории.
«До сих пор создание синтетической клетки, которая питается через мембрану и осуществляет клеточное деление для роста, было серьёзным препятствием, — объясняет Браун. — Наше исследование показывает, как мы могли бы обойти это препятствие в будущем».