För att verkligen förstå hur kroppen fungerar och förbättra människors hälsa, forskare måste riva isär byggstenarna i våra celler. Men eftersom forskare fortsätter att göra stora genombrott inom cellbiologi, en viktig fråga kvarstår:Hur bildades celler ursprungligen för miljarder år sedan?

En ny studie, ledd av Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., av Scripps Research, och Sheref Mansy, Ph.D., vid universitetet i Trento, ger en förklaring till hur "protoceller" kunde ha uppstått på den tidiga jorden, så småningom leder till de celler vi känner idag. Deras arbete, publiceras i tidskriften Små , antyder att molekyler som kallas cyklofosfolipider kan ha varit den ingrediens som var nödvändig för att protoceller skulle bilda viktiga inre strukturer som kallas vesiklar, vilket troligen startade den evolutionära processen.

"Protoceller skulle ha varit förfäder till celler idag, om du vill, säger Krishnamurthy, en docent i kemi vid Scripps Research. "De hade inte full funktionalitet av moderna celler, men de hade prekursorbeteendet att lägga grunden för det som kom efteråt."

Krishnamurthy är medlem i Simons Collaboration on the Origins of Life och har ett gemensamt möte med Center for Chemical Evolution, samfinansierat av NASA Astrobiology-programmet och National Science Foundation. Som många inom hans område, Krishnamurthy är nyfiken på hur tidiga vesiklar skulle ha fungerat.

Celler vimlar idag av olika molekyler och kemiska reaktioner, men protoceller skulle ha varit mycket enklare, som vesiklar. En egenskap som dessa vesikler hade var inre ihåliga områden som kallas lumen - utrymmen som kunde fånga större och större molekyler som behövs för uppgifter som att bilda RNA och göra proteiner, byggstenarna som behövs för livet.

Så småningom, tack vare vesikler, protoceller kunde ha delat sig i mer avancerade generationer av protoceller som tog in näringsämnen från miljön för att växa och dela sig igen.

Den nya studien erbjuder en enkel lösning på pusslet om hur stabila vesiklar kunde ha utvecklats. Förr, forskare försökte använda molekyler som kallas fettsyror för att bygga vesiklar, men dessa vesiklar skulle reagera på metalljoner och falla isär.

"Fettsyravesiklar överlever helt enkelt inte många av de tillstånd som finns på jorden, och absolut inte de typer av tillstånd som behövs för att få ut aktivitet från biologiskt liknande molekyler, " säger Mansy. "Denna klyfta mellan rimlighet och stabilitet har gjort det svårt för oss att föreställa oss hur protoceller kunde ha uppstått."

Forskare hade aldrig tidigare försökt använda cyklofosfolipider för att bilda vesiklar, men 2018, Krishnamurthys laboratorium publicerade en Naturkemi studie som visar att förhållandena på den tidiga jorden kunde ha lett till cyklofosfolipider.

Efter att ha visat att cyklofosfolipider kunde ha funnits i livets tidiga dagar, forskarna försökte se om molekylerna kunde hjälpa protoceller att bygga vesiklar. "Vi visste inte om de skulle vara tillräckligt stabila för att vara användbara eller funktionella, säger Krishnamurthy.

Det visade sig att de nya vesiklarna var förvånansvärt stabila. De stod emot ett bredare spektrum av fysiska och kemiska förhållanden än fettsyravesiklar, inklusive förändringar i pH. Faktiskt, de nya fynden tyder på att cyklofosfolipider kan vara den idealiska grunden för vesiklerna som gjorde det möjligt för protoceller att utvecklas.

"Professor Krishnamurthys arbete med prebiotisk fosforylering ledde oss till att utforska en ny typ av lipid som visar ett stort löfte för att hjälpa oss att åtminstone förstå vilka typer av kemiska egenskaper som var nödvändiga för att bygga en prebiotiskt rimlig och robust protocell, säger Mansy.

Forskarna rustar sig nu för att köra cyklofosfolipidvesiklar genom ännu mer ansträngande tester, svara på djupare frågor. De skulle vilja veta om dessa vesiklar är kompatibla med andra viktiga processer som behövs för evolution, såsom icke-enzymatisk RNA-replikation.

Studien, "Cyklofosfolipider ökar protocellulär stabilitet till metalljoner, " inkluderade också första författaren Ö. Duhan Toparlak från University of Trento; och Megha Karki och Veronica Egas Ortuno från Scripps Research.