Bilder av membran (cirklar) tagna med transmissionselektronkryomikroskopi. Överst:membran i en lösning som inte innehåller några aminosyror. Nederst:membran i en lösning innehållande serin, en aminosyra, som utlöser membran att bilda flera lager av koncentriska membran. Skalstaplar:100 nanometer. Kredit:Alex Mileant/Caitlin Cornell/University of Washington
Livet på jorden uppstod för cirka 4 miljarder år sedan när de första cellerna bildades i en ursoppa av komplex, kolrika kemiska föreningar.
Dessa celler stod inför en kemisk gåta. De behövde särskilda joner från soppan för att kunna utföra grundläggande funktioner. Men de laddade jonerna skulle ha stört de enkla membranen som inkapslade cellerna.
Ett team av forskare vid University of Washington har löst detta pussel med endast molekyler som skulle ha funnits på den tidiga jorden. Med hjälp av cellstorlek, vätskefyllda fack omgivna av membran gjorda av fettsyramolekyler, teamet upptäckte att aminosyror, byggstenarna i proteiner, kan stabilisera membran mot magnesiumjoner. Deras resultat satte scenen för de första cellerna att koda sin genetiska information i RNA, en molekyl relaterad till DNA som kräver magnesium för sin produktion, samtidigt som membranets stabilitet bibehålls.
Resultaten, publicerades veckan den 12 augusti i Proceedings of the National Academy of Sciences , gå längre än att förklara hur aminosyror kunde ha stabiliserat membran i ogynnsamma miljöer. De visar också hur de individuella byggstenarna i cellulära strukturer – membran, proteiner och RNA – kunde ha samlokaliserats i vattenmiljöer på den antika jorden.
"Celler består av väldigt olika typer av strukturer med helt olika typer av byggstenar, och det har aldrig varit klart varför de skulle mötas på ett funktionellt sätt, " sa medkorrespondent författare Roy Black, en UW affiliate professor i kemi och bioteknik. "Antagandet var bara att - på något sätt - de kom ihop."
Bilder av membran (cirklar) tagna med transmissionselektronkryomikroskopi. Överst:membran i en lösning av magnesiumklorid, ett salt som stör membran, och inga aminosyror. Nederst:membran i en lösning av magnesiumklorid och serin, en aminosyra, som utlöser membran att bilda flera lager av koncentriska membran. Skalstaplar:100 nanometer. Kredit:Alex Mileant/Caitlin Cornell/University of Washington
Black kom till UW efter en karriär på Amgen för möjligheten att fylla i det avgörande, saknade detaljer bakom det "på något sätt". Han slog sig ihop med Sarah Keller, en UW professor i kemi och en expert på membran. Black hade inspirerats av observationen att fettsyramolekyler kan självbilda sig för att bilda membran, och antog att dessa membran kunde fungera som en gynnsam yta för att sätta ihop byggstenarna av RNA och proteiner.
"Du kan föreställa dig olika typer av molekyler som rör sig i ursoppan som luddiga tennisbollar och hårda squashbollar som studsar runt i en stor låda som skakas, sa Keller, som också är medförfattare på tidningen. "Om du fodrar en yta inuti lådan med kardborreband, då kommer bara tennisbollarna att fastna på den ytan, och de kommer att hamna nära varandra. Roy hade insikten att lokala koncentrationer av molekyler kunde förbättras med en liknande mekanism."
Teamet har tidigare visat att byggstenarna i RNA företrädesvis fäster till fettsyramembran och, förvånande, stabiliserar också de ömtåliga membranen mot skadliga effekter av salt, en vanlig förening på jorden förr och nu.
Teamet antog att aminosyror också kan stabilisera membran. De använde en mängd olika experimentella tekniker - inklusive ljusmikroskopi, elektronmikroskopi och spektroskopi – för att testa hur 10 olika aminosyror interagerar med membran. Deras experiment visade att vissa aminosyror binder till membran och stabiliserar dem. Vissa aminosyror utlöste till och med stora strukturella förändringar i membran, som att bilda koncentriska sfärer av membran - ungefär som lager av en lök.
"Aminosyror skyddade inte bara vesiklar från störningar av magnesiumjoner, men de skapade också flerskiktiga vesiklar – som kapslade membran, " sa huvudförfattaren Caitlin Cornell, en UW doktorand vid Institutionen för kemi.
En modell av hur de första cellernas byggstenar kan ha samlokaliserats på membran. Till vänster:byggstenarna i membran, RNA och proteiner i ursoppan. Mitten:membran bildas (grå cirkel) och binder en delmängd av byggstenarna, som i sin tur stabiliserar membranen. Till höger:funktionellt RNA och proteiner inneslutna av membranet. Kredit:Roy Black/Sarah Keller/University of Washington
Forskarna upptäckte också att aminosyror stabiliserade membran genom förändringar i koncentration. Vissa forskare har antagit att de första cellerna kan ha bildats i grunda bassänger som genomgick cykler av höga och låga koncentrationer av aminosyror när vatten avdunstade och som nytt vatten sköljdes in.
De nya fynden att aminosyror skyddar membran - såväl som tidigare resultat som visar att RNA-byggstenar kan spela en liknande roll - indikerar att membran kan ha varit en plats för dessa prekursormolekyler att samlokalisera, tillhandahåller en potentiell mekanism för att förklara vad som förenade ingredienserna för livet.
Keller, Black och deras team kommer att vända sig till hur samlokaliserade byggstenar gjorde något ännu mer anmärkningsvärt:de band till varandra för att bilda funktionella maskiner.
"Det är nästa steg, sa Black.
Deras pågående ansträngningar knyter också band mellan discipliner vid UW.
"University of Washington är ett ovanligt bra ställe att göra upptäckter på grund av forskarsamhällets entusiasm att arbeta tillsammans för att dela utrustning och idéer mellan avdelningar och områden, " sa Keller. "Vårt samarbete med Drobny Lab och Lee Lab var avgörande. Inget laboratorium kunde ha gjort allt."
