Современная клетка представляет собой сложную «фабрику» с четкой внутренней структурой, тонко настроенной химией и строгой генетической программой. Однако когда-то всё начиналось с гораздо более примитивных форм — простых пузырьков, в которых липидная оболочка окружала смесь органических молекул.
Недавнее исследование специалистов Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского института науки наглядно продемонстрировало, как подобные ранние структуры могли функционировать на древней Земле. Ученые не стали выдвигать единую «теорию возникновения жизни», а сосредоточились на конкретных экспериментах, которые позволили выяснить, каким образом состав мембраны влияет на рост протоклеток, их слияние и способность удерживать важные молекулы во время циклов замораживания и оттаивания.
Авторы исследования создали модельные пузырьки — большие однослойные везикулы — из трех схожих по строению фосфолипидов: POPC, PLPC и DOPC. Все они принадлежат к классу фосфатидилхолинов, которые встречаются в мембранах современных клеток. «Мы использовали фосфатидилхолины в качестве компонентов мембран из-за их химической преемственности с современными клетками, возможной доступности в добиотических условиях и способности удерживать важное содержимое», — объясняет ведущий автор работы, аспирант Тацуя Синода.
Различия между этими липидами заключаются в числе и расположении двойных связей в их жировых хвостах. POPC формирует более жесткие, плотно упакованные мембраны, в то время как PLPC и DOPC делают оболочку более «жидкой» и подвижной.
Модельные везикулы подвергали многократным циклам замораживания и оттаивания, имитируя колебания температур на ранней Земле. Уже после трех циклов стало очевидно, что они ведут себя по-разному: пузырьки с преобладанием POPC только сближались и образовывали группы, но полностью не сливались. Везикулы, содержащие PLPC или DOPC, активно объединялись в более крупные структуры, причем чем больше в их мембранах было PLPC, тем охотнее происходило слияние.
Авторы исследования связывают это с тем, что менее насыщенные мембраны упакованы не так плотно, как более жесткие и насыщенные. «При формировании кристаллов льда стабильность мембран нарушается, им требуется перестройка при оттаивании. В более рыхлых мембранах легче оголяются гидрофобные области, что облегчает взаимодействие с соседними везикулами и делает слияние с ними энергетически выгодным», — отмечает сотрудница ELSI Нацуми Нода.
Слияние позволяет смешивать содержимое разных пузырьков. В условиях древней Земли, где необходимые органические соединения были разбросаны в среде, такие события способствовали объединению ключевых ингредиентов и стимулированию химических реакций, которые усложняли структуру протоклеток.
Ученые также проверили, насколько эффективно везикулы удерживают ДНК. Мембраны POPC сравнивались с мембранами, состоящими только из PLPC. Выяснилось, что PLPC-пузырьки лучше захватывают ДНК еще до циклов замораживания и оттаивания, и даже после них продолжают удерживать больше ДНК, чем POPC-структуры.