Протоклетки сохранили химический состав при выпаривании

Американские биохимики показали, что коацерватная капля — полимерная частица, которую считают пребиотическим предшественником клетки в ходе биохимической эволюции, — способна поддерживать постоянную концентрацию нуклеиновых кислот внутри себя при упаривании окружающей среды в десять раз. Постоянство состава при этом поддерживается за счет диффузии между коацерватом и окружающей средой, пишут ученые в Nature Communications.

Один из важных этапов происхождения жизни на Земле — формирование из отдельных простых органических молекул единых согласованных систем, которые потом в результате эволюции превратились в живые клетки. Согласно одной из гипотез, такими пребиотическими предшественниками клеток в ходе биохимической эволюции были коацерватные капли — сгустки полиэлеткролитов, не окруженные мембраной, но имеющие устойчивую структуру и способные удерживать внутри себя биологические молекулы, например пептиды или нуклеиновые кислоты. Коацерваты рассматривали как возможных предшественников клеток еще в первой половине XX века, однако снова заинтересовали ученых они уже в 2010-х годах — когда стало понятно, что за счет вандерваальсовых взаимодействий между молекулами полимера, окруженными оболочкой из молекул воды, такие «капли» сохраняют стабильную сложноорганизованную структуру, которая ускоряет биохимические реакции и в конечном итоге может способствовать формированию биологической клетки.

Один из аспектов, который интересует биохимиков в контексте биохимической эволюции, — способны ли коацерватные капли переносить постоянное чередование сухих и влажных условий. Такие циклы в условиях ранней Земли — один из важных элементов многих гипотез о происхождении жизни: они способствует синтезу простейших органических молекул, их полимеризации и фазовому разделению. Чтобы исследовать этот вопрос, американские биохимики под руководством Кристин Китинг (Christine Keating) из Университета штата Пенсильвания провели полноценное экспериментальное исследование, в котором изучили, как циклическое повторение стадий высушивания и регидратации коллоидного раствора влияет на структуру коацерватных капель и их химический состав.

В качестве модели коацерватов ученые выбрали сиситему, состоящую из смеси двух полиэлектролитов: хлорида полидиаллилдиметиламмония и полиакриловой кислоты (популярных соединений для исследования процессов коагуляции), — помещенную в водные растворы с различной концентрацией соли и постоянной кислотностью. Эти смеси химики выпаривали при температуре 95 градусов Цельсия в течение 160 минут, а затем восстанавливали объем воды до начального уровня. В результате удалось построить фазовые диаграммы и определить концентрации соли и полиэлектролитов, необходимые для образования устойчивых — в том числе и к высыханию — коацерватных капель размером до 20 микрометров. Например, при концентрации соли 5 миллимоль на литр коацерваты образуются в растворе и сохраняются при десятикратном упаривании водного раствора, но если концентрацию увеличить в десять раз, то капли образуются, но в процессе высушивания полностью разрушаются (правда, восстанавливаются обратно во время регидратации). 

Чтобы понять, что внутри такой полиэлектролитной частицы происходит с захваченными биологическими молекулами, ученые добавили в систему небольшую РНК, состоящую из пятнадцати нуклеотидов. Коацерват абсорбировал практически весь добавленный олигонуклеотид (концентрация РНК внутри и снаружи отличалась более чем в 30 тысяч раз) и удерживал его внутри частицы в процессе выпаривания. Химики показали, что даже при усыхании коллоидного раствора в десять раз — то есть увеличении средней концентрации всех компонентов раствора в десять раз — концентрация РНК внутри коацерватов остается постоянной, около 10 микромоль на литр. Ученые объясняют этот эффект кинетическими эффектами: при выпаривании концентрация соли внутри капли увеличивается, из-за чего ослабляется взаимодействие между полимерными молекулами, но ускоряется обмен с окружающей средой.

При циклическом чередовании выпаривания и регидратации раствора концентрация РНК также оставалась почти постоянной: ученые зафиксировали лишь небольшое увеличение концентрации нуклеиновой кислоты внутри коацервата после регидратации из-за необратимой абсорбции. Фактически, коацерватная протоклетка отобрала из раствора необходимое количество РНК и превратилась в своеобразный контейнер для храненения, поддерживая постоянную концентрацию олигонуклеотида внутри себя. По словам ученых, их результаты показывают выгодность протогомеостаза для примитивной модели протоклетки, при этом диффузия нуклеиновых кислот между коацерватом и окружающей средой ограничивает возможность эволюции РНК, а ее скорость зависит силы взаимодействия между заряженными участками полиэлектролитной молекулы. Периодические изменения концентрации соли могут отразиться и на фазовом состоянии коацервата.

Другой важный аспект происхождения жизни на Земле, которому посвящено большое количество исследований, — синтез из неорганических молекул элементарных органических сеоединений в условиях ранней Земли. Например, недавно британские ученые показали, что простейшие пептиды могли образоваться и в мягких условиях ранней Земли без экстремальных значений кислотности, в неочищенной воде и при низких концентрациях реагирующих компонентов. А химики из Канады и Германии установили, что первые молекулы РНК могли впервые образоваться в мелких теплых водоемах на поверхности планеты из азотистых оснований, попавших на Землю при столкновении с метеоритами. При этом другая группа ученых показала, что ДНК и РНК могут образоваться параллельно из одних и тех же компонентов, а не последовательно.

Александр Дубов