Один из ключевых нерешенных вопросов в изучении происхождения жизни заключается в том, как капельки РНК в первобытной среде превратились в мембраносвязанные клетки. Недавняя статья, написанная инженерами из Школы молекулярной инженерии Притцкеровского университета Чикаго (UChicago PME), факультета химической инженерии Хьюстонского университета и биологами из химического факультета UChicago, представляет потенциальное решение этой загадки.
Опубликованное в журнале Science Advances исследование, проведенное под руководством исследователя UChicago PME Амана Агравала (Aman Agrawal) и его соавторов, в том числе почетного декана UChicago PME Мэтью Тирелла (Matthew Tirrell) и нобелевского лауреата Джека Шостака (Jack Szostak), предполагает, что дождевая вода, возможно, сыграла решающую роль в формировании защитной сетки вокруг протоклеток 3,8 миллиарда лет назад. Это открытие представляет собой значительный шаг в эволюции от простых капель РНК к сложным организмам, которые сейчас населяют Землю.
Тирелл описал это открытие как "уникальное и новаторское".
Основное внимание в исследовании уделяется "коацерватным каплям", которые представляют собой естественные скопления сложных молекул, таких как белки, липиды и РНК. Эти капли, похожие на капли масла в воде, считались потенциальными кандидатами на роль первых протоклеток. Однако возникла серьезная проблема, поскольку было обнаружено, что эти капли слишком быстро обмениваются молекулами, что отрицательно сказывается на дифференциации, необходимой для эволюции. Агравал объясняет, что без дифференциации "все клетки в конечном итоге стали бы идентичными, что затормозило бы эволюцию из-за отсутствия конкуренции и вариативности".
Рассматривая этот вопрос, Шостак, директор Чикагского центра происхождения жизни UChicago, подчеркнул междисциплинарный характер исследования, подчеркнув сотрудничество между молекулярными инженерами и биологами. Он отметил, что РНК, а не ДНК или белки, как полагают, являются первым биологическим материалом, который эволюционировал из-за его двойной роли в кодировании информации и выполнении каталитических функций, тем самым решая давнюю проблему в изучении самых ранних молекул жизни.
Хотя РНК была хорошим кандидатом на роль первого биологического материала, а коацерватные капли - на роль первых протоклеток, исследование Шостака, проведенное в 2014 году, показало, что обмен РНК в этих каплях происходил слишком быстро, что подрывало их потенциал как протоклеток. Новое исследование демонстрирует, что попадание капель коацервата в дистиллированную воду, например, дождевую, приводит к образованию прочного внешнего слоя, который замедляет обмен РНК, тем самым допуская возможность мутаций, конкуренции и эволюции.
Агравал впервые наблюдал воздействие дистиллированной воды на капельки коацервата во время своего докторского исследования в Хьюстонском университете. Первоначально это исследование было сосредоточено на свойствах материалов с инженерной точки зрения и не имело прямого отношения к происхождению жизни. Однако дискуссия с Тиререллом выявила потенциальную значимость этих находок для ранней жизни на Земле, что привело к гипотезе о том, что дождевая вода могла сыграть решающую роль в стабилизации этих капель.
После тестирования как с деионизированной, так и с обычной дождевой водой, исследователи подтвердили, что капли образуют устойчивые сетчатые стенки, создавая условия, способствующие развитию жизни. Исследование также устранило опасения по поводу кислотной природы пребиотической дождевой воды, продемонстрировав стабильные результаты в различных условиях.
Хотя химический состав древней дождевой воды отличается от современного дождя, это исследование дает жизнеспособную модель того, как могли эволюционировать протоклетки. Агравал подчеркивает, что, хотя конкретные молекулы, используемые в этом исследовании, являются моделями, лежащая в их основе физика остается применимой, что приближает исследователей к определению условий, необходимых для эволюции протоклеток.