För ungefär 4 miljarder år sedan utvecklade jorden förhållanden som var lämpliga för liv. Livets ursprungsforskare undrar ofta om den typ av kemi som hittades på den tidiga jorden liknade vad livet kräver idag. De vet att sfäriska samlingar av fetter, kallade protoceller, var föregångaren till celler under livets uppkomst. Men hur uppstod enkla protoceller först och diversifierades för att så småningom leda till liv på jorden?
Nu har Scripps Research-forskare upptäckt en rimlig väg för hur protoceller först kan ha bildats och kemiskt utvecklats för att möjliggöra en mångfald av funktioner.
Fynden, publicerade online den 29 februari 2024, i tidskriften Chem , tyder på att en kemisk process som kallas fosforylering (där fosfatgrupper läggs till molekylen) kan ha inträffat tidigare än tidigare förväntat. Detta skulle leda till mer strukturellt komplexa, dubbelkedjiga protoceller som kan hysa kemiska reaktioner och dela sig med en mängd olika funktioner. Genom att avslöja hur protoceller bildades kan forskare bättre förstå hur tidig evolution kunde ha ägt rum.
"Vid någon tidpunkt undrar vi alla var vi kom ifrån. Vi har nu upptäckt ett rimligt sätt att fosfater kunde ha införlivats i cellliknande strukturer tidigare än man tidigare trott, vilket lägger byggstenarna för livet", säger Ramanarayanan Krishnamurthy. Ph.D., motsvarande senior författare och professor vid Institutionen för kemi vid Scripps Research.
"Det här fyndet hjälper oss att bättre förstå den tidiga jordens kemiska miljöer så att vi kan avslöja livets ursprung och hur liv kan utvecklas på den tidiga jorden."
Krishnamurthy och hans team studerar hur kemiska processer uppstod för att orsaka de enkla kemikalier och formationer som fanns före uppkomsten av liv i den prebiotiska jorden. Krishnamurthy är också en medledare för ett NASA-initiativ som undersöker hur liv uppstod ur dessa tidiga miljöer.
I den här studien samarbetade Krishnamurthy och hans team med labbet av biofysikern Ashok Deniz, Ph.D., motsvarande senior författare och professor vid institutionen för integrativ strukturell och beräkningsbiologi vid Scripps Research. De försökte undersöka om fosfater kan ha varit inblandade under bildandet av protoceller. Fosfater är närvarande i nästan alla kemiska reaktioner i kroppen, så Krishnamurthy misstänkte att de kan ha varit närvarande tidigare än tidigare trott.
Forskare trodde att protoceller bildades av fettsyror, men det var oklart hur protoceller övergick från en enkel kedja till en dubbelkedja av fosfater, vilket är det som gör att de kan vara mer stabila och hysa kemiska reaktioner.
Forskarna ville efterlikna trovärdiga prebiotiska förhållanden - de miljöer som fanns före livets uppkomst. De identifierade först tre troliga blandningar av kemikalier som potentiellt skulle kunna skapa vesikler, sfäriska strukturer av lipider som liknar protoceller.
Kemikalierna som användes inkluderade fettsyror och glycerol (en vanlig biprodukt av tvålproduktion som kan ha funnits under tidig jord). Därefter observerade de reaktionerna hos dessa blandningar och tillsatte ytterligare kemikalier för att skapa nya blandningar. Dessa lösningar kyldes och upphettades på upprepad över natten med viss skakning för att främja kemiska reaktioner.
De använde sedan fluorescerande färgämnen för att inspektera blandningarna och bedöma om vesikelbildning hade ägt rum. I vissa fall varierade forskarna också pH och förhållandet mellan komponenterna för att bättre förstå hur dessa faktorer påverkade vesikelbildningen. De tittade också på effekten av metalljoner och temperatur på vesiklarnas stabilitet.
"Vesiklarna kunde övergå från en fettsyramiljö till en fosfolipidmiljö under våra experiment, vilket tyder på att en liknande kemisk miljö kunde ha funnits för 4 miljarder år sedan", säger första författaren Sunil Pulletikurti, postdoktor vid Krishnamurthys labb.
Det visar sig att fettsyror och glycerol kan ha genomgått fosforylering för att skapa den mer stabila dubbelkedjestrukturen. Speciellt kan glycerolhärledda fettsyraestrar ha lett till vesiklar med olika toleranser för metalljoner, temperaturer och pH – ett kritiskt steg för att diversifiera evolutionen.
"Vi har upptäckt en rimlig väg för hur fosfolipider kunde ha uppstått under denna kemiska evolutionära process", säger Deniz. "Det är spännande att upptäcka hur tidig kemi kan ha övergått för att möjliggöra liv på jorden. Våra fynd antyder också en mängd spännande fysik som kan ha spelat viktiga funktionella roller längs vägen till moderna celler."
Därefter planerar forskarna att undersöka varför några av vesiklerna smälte medan andra delade sig för att bättre förstå protocellers dynamiska processer.
Mer information: Experimentell modellering av uppkomsten av prebiotiskt rimliga fosfolipidvesiklar, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.02.007. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00069-X
Journalinformation: Chem
Tillhandahålls av The Scripps Research Institute
