Доказательства того, что первые клетки Земли могли создавать специализированные компартменты

Ученые давно строили гипотезы о чертах наших далеких одноклеточных предков и о последовательности, в которой эти черты появились. Пузырьковые компартменты — отличительная черта надцарства, к которому принадлежим мы и многие другие виды, включая дрожжи. Но у современных клеток этого надцарства есть множество специализированных молекул, которые помогают создавать и формировать эти пузырьки внутри клеток. Ученые задавались вопросом: что появилось раньше — пузырьки или формирующие их молекулы?

Новое исследование аспирантки Каролины Спустовой и коллег из лаборатории Ирепа Гёзена в Университете Осло показывает, что при наличии всего нескольких ключевых компонентов эти маленькие пузырьки могут формироваться самостоятельно, инкапсулировать молекулы и делиться без посторонней помощи. Спустова представит свои результаты, опубликованные в журнале Small, 24 февраля на 65-й ежегодной встрече Биофизического общества.

Около 3,8 миллиардов лет назад появился наш одноклеточный предок. Он предшествовал не только сложным организмам нашего надцарства, но и более простым бактериям. Были ли у этой «протоклетки» пузырьковые компартменты — загадка. Долгое время ученые считали, что эти липидные пузырьки — особенность, отличающая наше надцарство от других организмов, например, бактерий. Из-за этого предполагалось, что компартменты могли сформироваться уже после появления бактерий. Однако недавние исследования показали, что у бактерий тоже есть специализированные компартменты, что заставило команду Гёзена задуматься — могла ли протоклетка, существовавшая до бактерий и наших предков, иметь их? И если да, то как они могли образоваться?

Исследовательская группа смешала липиды, из которых состоят современные клеточные компартменты (фосфолипиды), с водой и поместила смесь на минералоподобную поверхность. Они обнаружили, что крупные пузырьки формировались спонтанно, а внутри них находились более мелкие. Чтобы проверить, могут ли эти компартменты инкапсулировать малые молекулы (что необходимо для выполнения специализированных функций), команда добавила флуоресцентные красители. Они наблюдали, что пузырьки способны захватывать и удерживать красители. Они также зафиксировали случаи, когда пузырьки разделялись, образуя более мелкие «дочерние» пузырьки, что, по словам Спустовой, «напоминает простое деление первых клеток». Все это происходило без каких-либо молекулярных машин, подобных тем, что есть в наших клетках, и без добавления энергии.

Идея о том, что это могло произойти на Земле 3,8 миллиардов лет назад, не лишена оснований. Гёзен пояснил, что вода была бы в изобилии, как и кремнезем с алюминием, «которые мы использовали в нашем исследовании и которые присутствуют в природных горных породах». Исследования показывают, что молекулы фосфолипидов могли быть синтезированы в условиях ранней Земли или попали на Землю с метеоритами. Гёзен говорит: «Считается, что эти молекулы достигали достаточных концентраций для формирования фосфолипидных компартментов». Таким образом, возможно, что древняя «протоклетка», предшествовавшая всем нынешним организмам на Земле, имела все необходимое для спонтанного формирования пузырьковых компартментов.