Optiska (överst) och fluorescens (botten) mikroskopi bilder av en protocell gemenskap som visar fyra protocell typer produceras spontant i en skärande kemisk gradient. Två olika artificiella morfogener injiceras från vänster och höger sida av gruppen längs x -axeln för att generera en motsatt gradient som översätts till olika förändringar i form, sammansättning och fluorescens i protocellerna. Etiketter för formförskjutande typer visas i den översta raden. Kredit:University of Bristol
Inspirerad av processerna för cellulär differentiering som observerats i utvecklingsbiologi, ett tvärvetenskapligt team av forskare vid University of Bristol har visat ett nytt spontant tillvägagångssätt för att bygga gemenskaper av cellliknande enheter (protoceller) med hjälp av kemiska gradienter.
I en ny studie publicerad idag i tidskriften Naturkommunikation , Professor Stephen Mann från Bristols kemiska högskola, tillsammans med kollegorna Dr. Liangfei Tian, Dr Mei Li, och Dr Avinash Patil i Bristol Center for Protolife Research, och professor Bruce Drinkwater från tekniska fakulteten använde en kemisk gradient för att omvandla en enhetlig population av små droppar till en mångfaldig gemenskap av artificiella celler.
Teamet använde först ultraljudsvågor för att skapa regelbundna rader med tusentals droppar som innehåller energilagringsmolekylen ATP. De tillät sedan formförskjutande molekyler (artificiella morfogener) att diffundera i en riktning genom befolkningen.
När morfogenerna kom i kontakt med dropparna, dropparna omvandlades rad för rad till membranbegränsade protoceller med olika former, kemiska sammansättningar och enzymaktiviteter. Hur dropparna förändrades var beroende av den lokala morfogenkoncentrationen i den framstegande kemiska gradienten.
Vågor av differentiering sågs att resa över befolkningen, lämnar ett mönster av differentierade protoceller så att ett komplext och ordnat samhälle spontant växte fram från den homogena befolkningen.
Professor Mann sa:"Detta arbete öppnar en ny horisont inom protocellforskning eftersom det belyser möjligheterna för att spontant konstruera protocellgemenskaper med graderad struktur och funktionalitet.
"Även om forskningen bara har börjat, resultaten ger ett steg mot att utveckla artificiella cellplattformar för kemisk avkänning och övervakning under icke-jämvikt (flödesbaserade) förhållanden. "
Dr Tian tillade:"Eftersom droppbaserade protoceller har föreslagits som troliga stamfäder till membranbegränsade protoceller på den tidiga jorden, vårt arbete kan ha konsekvenser för samtida teorier om livets ursprung.
"Särskilt, som kemiska gradienter producerar protocelldiversitet från enhetliga populationer, kanske var en liknande mekanism ansvarig för uppkomsten av funktionell komplexitet i gamla proto-levande system. "
