Innan livet började på jorden, miljön innehöll sannolikt ett massivt antal kemikalier som reagerade med varandra mer eller mindre slumpmässigt, och det är oklart hur komplexiteten hos celler kunde ha uppstått ur ett sådant kemiskt kaos. Nu, ett team under ledning av Tony Z. Jia vid Tokyo Institute of Technology och Kuhan Chandru vid National University of Malaysia har visat att enkla α-hydroxisyror, som glykolsyra och mjölksyra, polymerisera spontant och självmontera till mikrodroppar av polyester när de torkas vid måttliga temperaturer följt av rehydrering. Detta kan vara vad som hände längs primitiva stränder och flodstränder, eller i torkpölar. Dessa bildar en ny typ av cellliknande fack som kan fånga och koncentrera biomolekyler som nukleinsyror och proteiner. Dessa droppar, till skillnad från de flesta moderna celler, kan smälta samman och reformera enkelt, och således kunde ha varit värd för mångsidiga tidiga genetiska och metaboliska system som är potentiellt kritiska för livets ursprung.

Allt liv på jorden består av celler. Celler består av lipider, proteiner och nukleinsyror, med lipiden som bildar cellmembranet, en kapsling som håller de andra komponenterna samman och gränssnitt med miljön, utbyte av mat och avfall. Hur molekylära sammansättningar så komplexa som celler ursprungligen bildades förblir ett mysterium.

De flesta ursprung för livsforskning fokuserar på hur livets molekyler och strukturer producerades av miljön, och sedan sammansatta till strukturer som ledde till de första cellerna. Dock, det fanns troligen många andra typer av molekyler som bildades vid sidan av biomolekyler på tidig jord, och det är möjligt att livet började använda mycket enkel kemi som inte var relaterad till moderna biomolekyler, utvecklades sedan genom allt mer komplexa stadier för att ge upphov till de strukturer som finns i moderna celler.

Tidigare arbete utfört vid ELSI visade att måttlig temperaturtorkning av de enkla organiska föreningar som kallas alfa-hydroxisyror, som finns i meteoriter och många simuleringar av prebiologisk kemi, polymeriserar dem spontant till blandningar av långa polyestrar. Att bygga vidare på detta arbete, Jia och kollegor tog nästa steg och undersökte dessa reaktioner under mikroskopet, och fann att dessa blandade polyestersystem bildar en gelfas och självmonterar sig spontant när de återväts för att bilda enkla cellliknande strukturer.

Den mest utmanande aspekten av detta arbete var att ta fram nya metoder för att karakterisera dropparnas egenskaper och funktioner, eftersom ingen hade analyserat sådana system tidigare. Jia noterade att teamet hade turen att ha en sådan mångfald av multidisciplinär expertis, inklusive kemister, biokemister, materialvetare och geologer. Efter att ha bestämt deras sammansättning och visat sin benägenhet att självmontera, nästa fråga var om dessa cellliknande strukturer kanske kan göra något kemiskt användbart. Moderna cellmembran utför många avgörande funktioner som hjälper till att underhålla cellen, till exempel, behålla makromolekyler och metaboliter på ett ställe, samt en konstant intern miljö, som kan vara mycket annorlunda än den utanför cellen. De mätte först hur stabila dessa strukturer var och fann att de kunde bestå under mycket långa perioder beroende på miljöförhållandena, men kan också fås att slå samman och sammanfoga.

De testade sedan dessa strukturs förmåga att avlägsna molekyler från miljön och fann att de ackumulerade stora färgmolekyler i en anmärkningsvärd grad. De visade sedan att dessa droppar också kan vara värd för RNA och proteinmolekyler och fortfarande tillåta dem att vara funktionellt katalytiska. Ytterligare, laget visade att dropparna kunde hjälpa till att bilda ett lipidlager på deras yta, tyder på att de kunde ha hjälpt bildandet av ställningsprotokoll.

Jia och kollegor är inte säkra på att dessa strukturer är cellernas direkta förfäder, men de tror att det är möjligt att sådana droppar kunde ha möjliggjort sammansättningen av protoceller på jorden. Det nya uppdelningssystemet de har hittat är extremt enkelt, de noterar, och skulle lätt kunna bildas i primitiva miljöer i hela universum. Säger Jia, "Detta gör att vi kan föreställa oss icke-biologiska system på tidig jord som fortfarande kunde ha haft en hand i livets ursprung. Detta tyder på att det kan finnas många andra icke-biologiska system som borde vara mål för framtida undersökningar av denna typ." Han tror att utvecklingen av dessa eller liknande modellsystem kan möjliggöra bättre studier av utvecklingen av olika kemiska system som är representativa för de komplexa kemierna som sannolikt finns på primitiva planetkroppar.

"Den tidiga jorden var verkligen en rörig plats kemiskt, "Jia förklarar, "och ofta, de flesta studier av livets ursprung fokuserar på moderna biomolekyler under relativt "rena" förhållanden. Kanske är det viktigt att ta dessa "stökiga" blandningar och se om det finns intressanta funktioner eller strukturer som kan uppstå från dem spontant." Författarna tror nu att genom att systematiskt öka den kemiska komplexiteten hos sådana system, de kommer att kunna observera hur de utvecklas över tiden och möjligen upptäcka divergerande och emergerande egenskaper.

"Vi har det här nya experimentella systemet som vi nu kan leka med, så vi kan börja studera fenomen som evolution och evolverbarhet för dessa droppar. De möjliga kombinationerna av strukturer eller funktioner som dessa droppar kan ha är nästan oändliga. Om de fysiska reglerna som styr bildandet av droppar är ganska universella till sin natur, sedan hoppas vi kunna studera liknande system för att upptäcka om de också kan bilda mikrodroppar med nya egenskaper, " tillägger Jia.

Till sist, medan laget för närvarande är inriktat på att förstå livets ursprung, de noterar att denna grundforskning kan ha tillämpningar inom andra områden, till exempel, läkemedelsleverans och personlig medicin. "Detta är bara ett underbart exempel på de oväntade sätt som projekt kan utvecklas när ett team av olika forskare från hela världen kommer samman för att försöka förstå nya och intressanta fenomen, " sa teammedlemmen Jim Cleaves, även av ELSI.