Протоклітини зберегли хімічний склад при випарюванні

Американські біохіміки показали, що коацерватна крапля - полімерна частинка, яку вважають пребіотичним попередником клітини в ході біохімічної еволюції, - здатна підтримувати постійну концентрацію нуклеїнових кислот всередині себе при впарюванні навколишнього середовища в десять разів. Сталість складу при цьому підтримується за рахунок дифузії між коацерватом і навколишнім середовищем, пишуть вчені в.

Один з важливих етапів походження життя на Землі - формування з окремих простих органічних молекул єдиних узгоджених систем, які потім в результаті еволюції перетворилися на живі клітини. Згідно з однією з гіпотез, такими пребіотичними попередниками клітин під час біохімічної еволюції були коацерватні краплі - згустки поліелеткролітів, не оточені мембраною, але мають стійку структуру і здатні утримувати всередині себе біологічні молекули, наприклад пептиди або нуклеїнові кислоти. Коацервати розглядали як можливих попередників клітин ще в першій половині XX століття, проте знову зацікавили вчених вони вже в 2010-х роках - коли стало зрозуміло, що за рахунок вандерваальсових взаємодій між молекулами полімеру, оточеними оболонкою з молекул води, такі «краплі» зберігають стабільну складноорганізовану структуру, яка прискорює біохімічні реакції і в кінцевому підсумку може сприяти формуванню біологічної клітки.

Один з аспектів, який цікавить біохіміків у контексті біохімічної еволюції, - чи здатні коацерватні краплі переносити постійне чергування сухих і вологих умов. Такі цикли в умовах ранньої Землі - один з важливих елементів багатьох гіпотез про походження життя: вони сприяють синтезу найпростіших органічних молекул, їх полімеризації і фазового поділу. Щоб дослідити це питання, американські біохіміки під керівництвом Крістін Кітінг (Christine Keating) з Університету штату Пенсільванія провели повноцінне експериментальне дослідження, в якому вивчили, як циклічне повторення стадій висушування і регідратації колоїдного розчину впливає на структуру коацерватних крапель і їх хімічний склад.

В якості моделі коацерватів вчені вибрали сиситему, що складається з суміші двох поліелектролітів: хлориду полідіаллілдиметиламонія і поліакрилової кислоти (популярних сполук для дослідження процесів коагуляції), - поміщену у водні розчини з різною концентрацією солі і постійною кислотністю. Ці суміші хіміки випарювали при температурі 95 градусів Цельсія протягом 160 хвилин, а потім відновлювали об'єм води до початкового рівня. У результаті вдалося побудувати фазові діаграми і визначити концентрації солі та поліелектролітів, необхідні для утворення стійких - у тому числі і до висихання - коацерватних крапель розміром до 20 мікрометрів. Наприклад, при концентрації солі 5 мілімоль на літр коацервати утворюються в розчині і зберігаються при десятикратному впарюванні водного розчину, але якщо концентрацію збільшити в десять разів, то краплі утворюються, але в процесі висушування повністю руйнуються (правда, відновлюються назад під час регідратації).

Щоб зрозуміти, що всередині такої поліелектролітної частинки відбувається із захопленими біологічними молекулами, вчені додали в систему невелику РНК, що складається з п'ятнадцяти нуклеотидів. Коацерват абсорбував практично весь доданий олігонуклеотид (концентрація РНК всередині і зовні відрізнялася більш ніж у 30 тисяч разів) і утримував його всередині частинки в процесі випарювання. Хіміки показали, що навіть при всиханні колоїдного розчину в десять разів - тобто збільшенні середньої концентрації всіх компонентів розчину в десять разів - концентрація РНК всередині коацерватів залишається постійною, близько 10 мікромоль на літр. Вчені пояснюють цей ефект кінетичними ефектами: при випарюванні концентрація солі всередині краплі збільшується, через що послаблюється взаємодія між полімерними молекулами, але прискорюється обмін з навколишнім середовищем.

При циклічному чергуванні випарювання та регідратації розчину концентрація РНК також залишалася майже постійною: вчені зафіксували лише невелике збільшення концентрації нуклеїнової кислоти всередині коацервату після регідратації через незворотну абсорбцію. Фактично, коацерватна протоклітина відібрала з розчину необхідну кількість РНК і перетворилася на своєрідний контейнер для зберігання, підтримуючи постійну концентрацію олігонуклеотиду всередині себе. За словами вчених, їх результати показують вигідність протогомеостазу для примітивної моделі протоклітини, при цьому дифузія нуклеїнових кислот між коацерватом і навколишнім середовищем обмежує можливість еволюції РНК, а її швидкість залежить сили взаємодії між зарядженими ділянками поліелектролітної молекули. Періодичні зміни концентрації солі можуть відбитися і на фазовому стані коацервату.

Інший важливий аспект походження життя на Землі, якому присвячено велику кількість досліджень, - синтез з неорганічних молекул елементарних органічних сієднань в умовах ранньої Землі. Наприклад, нещодавно британські вчені показали, що найпростіші пептиди могли утворитися і в м'яких умовах ранньої Землі без екстремальних значень кислотності, в неочищеній воді і при низьких концентраціях реагуючих компонентів. А хіміки з Канади та Німеччини встановили, що перші молекули РНК могли вперше утворитися в дрібних теплих водоймах на поверхні планети з азотистих підстав, що потрапили на Землю при зіткненні з метеоритами. При цьому інша група вчених показала, що ДНК і РНК можуть утворитися паралельно з одних і тих же компонентів, а не послідовно.