En Harvard-forskare som letar efter en modell för de tidigaste cellerna har skapat ett system som självmonterar från en kemisk soppa till cellliknande strukturer som växer, rör sig som svar på ljus, replikera när de förstörs, och uppvisar tecken på rudimentärt evolutionärt urval.

Medan systemet, utvecklad av seniorforskaren Juan Pérez-Mercader, härmar vad man kan tänka sig som tidigt cellbeteende, en viktig varning är att dess huvudkomponent är en molekyl som inte vanligtvis finns i levande varelser.

Pérez-Mercader sa att det är genom design. En fysiker av utbildning, Pérez-Mercader inledde arbetet med att följa upp en artikel han skrev 2003 och diskuterade matematiska modeller för några av livets grundläggande egenskaper. Det senaste arbetet, beskrivs i open access-journalen Vetenskapliga rapporter , är ett försök att använda kemi för att översätta dessa matematiska modeller till den verkliga världen, han sa.

"Jag försöker bygga något som efterliknar livet på ett helt konstlat sätt, " sa Pérez-Mercader.

Pérez-Mercader kom till Harvard för att gå med i Origins of Life Initiative, en universitetsomfattande insats som involverar forskare över skolor och discipliner. Arbetet sträcker sig från undersökningar av de fortfarande grumliga processer genom vilka liv först uppstod till studier av exoplaneter långt från jorden.

Livet har fyra huvudattribut, sa Pérez-Mercader. Den lagrar, kommunicerar, använder, och replikerar information – som i data som finns i DNA. Den har metabolism som gör att den kan göra sina egna delar. Den är kapabel till självreplikering. Och det är kapabelt att utvecklas.

"Livet ... gör alla dessa saker baserat på kemi. Om det finns någon kemi som gör allt ovanstående, och är inte den kända biokemin, vi letar högt och lågt efter [det], " han sa.

Förmågan att separera från den omgivande miljön är en nyckelkomponent i alla levande system, sa Pérez-Mercader. Detta gör att livets kemi kan uppstå i en inkapslad struktur, vilket hindrar den från att spridas till den omgivande miljön. Andra forskares arbete inom detta område har inkluderat att skapa rudimentära celler via fettmolekyler, som används i cellbyggande av levande varelser. Pérez-Mercader försökte ta bort processen till dess väsentligheter för att bättre förstå grunderna.

"Du måste ha något som genererar den uppdelningen. Så vi sa:'Kan vi bygga facket på ett enkelt sätt?'" sa Pérez-Mercader.

För att skapa systemet, Pérez-Mercader arbetade med Anders Albertsen, en assistent vid institutionen för jord- och planetvetenskap, och Jan Szymanski, en före detta postdoktor vid Harvard, för att skapa en kemisk soppa som består av 2-hydroxipropylmetakrylat. De tillsatte rutenium, en ljuskänslig metall, för att få molekylen att reagera på ljus. Den modifierade molekylen tenderar att länka samman med andra till långa upprepade kedjor som kallas polymerer, med ena änden som stöter bort vatten och den andra attraherar det. Den växelverkan med vatten får polymererna att rada sig, och slutligen bildar vesiklar.

Systemet aktiveras av blått ljus. Under flera timmars exponering, monomererna länkar samman för att bilda polymerer, och polymererna radas upp för att bilda sfäriska vesiklar, med några som närmar sig storleken på naturliga celler. De växer på grund av osmos tills de poppar och börjar sedan växa igen.

"Efter fem timmar ändras blandningen, ", sa Pérez-Mercader. "Efter sex timmar blir det grumligt. Utifrån den homogena blandningen utveckla dessa behållare. Behållarna imploderar och växer igen, de börjar göra dessa mycket intressanta saker."

Det regenerativa beteendet är det som ledde Pérez-Mercader till beskrivningen "phoenix vesiklar, " efter den mytomspunna fågeln som brann upp i sitt bo och föddes på nytt.

Förutom förmågan att bilda spontant och replikera, vesiklarna attraheras av ljus, och tenderar att klunga sig nära ljuskällan. Över tid, större vesiklar dominerar befolkningen, Pérez-Mercader sa, indikerar att en form av urval pågår.

Bortsett från eventuella lärdomar om tidigt liv, Pérez-Mercader sa att resultaten kan vara användbara för att skapa ett självmonterande leveranssystem inom industrin. Han sa att han planerar att fortsätta arbetet med mer komplexa vesiklar och inkludera lite aktiv kemi i deras inre.

"Konsekvenserna för livets ursprung för mig är mycket intressanta, även om de fortfarande behöver utforskas, " han sa.

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.