Netikėtas atradimas: lietaus vanduo – trūkstamas gyvybės kilmės dėlionės elementas

Kita esminė ląstelės dalis yra ją gaubianti membrana. Membranos paviršiuje esantys baltymai kontroliuoja medžiagų judėjimą į ląstelę ir iš jos. Ši sudėtinga membranos struktūra leido atsirasti tokiai sudėtingai gyvybei, kokia ji yra dabar. Tačiau kaip ankstyviausios, paprasčiausios ląstelės viską išlaikė, kol išsivystė sudėtingos membranų struktūros?

Neseniai žurnale „Science Advances“ paskelbtame tyrime Čikagos ir Hiustono universitetų (JAV) mokslininkai nagrinėjo įdomią galimybę, kad lietaus vanduo atliko lemiamą vaidmenį stabilizuojant ankstyvąsias ląsteles, taip atverdamas kelią gyvybės sudėtingumui.

Gyvybės kilmė

Vienas iš labiausiai intriguojančių mokslo klausimų – kaip Žemėje atsirado gyvybė. Mokslininkams jau seniai įdomu, kaip negyvosios medžiagos – tokios kaip vanduo, dujos ir mineralų sankaupos – virto gyvomis ląstelėmis, galinčiomis daugintis, vykdyti medžiagų apykaitą ir evoliucionuoti.

1953 m. Čikagos universiteto chemikai Stanley Milleris ir Haroldas Urey atliko eksperimentą, kuriuo įrodė, kad sudėtingus organinius junginius, t. y. anglies junginius, galima sintetinti iš paprastesnių organinių ir neorganinių junginių. Naudodami vandenį, metaną, amoniaką, vandenilio dujas ir elektros kibirkštis, šie chemikai suformavo aminorūgštis.

Mokslininkai mano, kad ankstyviausios gyvybės formos, vadinamos protoląstelėmis, spontaniškai atsirado iš ankstyvojoje Žemėje buvusių organinių molekulių. Šios primityvios, į ląsteles panašios struktūros greičiausiai buvo sudarytos iš dviejų pagrindinių komponentų: matricinės medžiagos, kuri sudarė struktūrinį karkasą, ir genetinės medžiagos, kuri perteikė protoląstelių veikimo instrukcijas. Laikui bėgant šios protoląstelės palaipsniui įgijo gebėjimą daugintis ir vykdyti medžiagų apykaitos procesus.

Kad vyktų esminės cheminės reakcijos, būtinos tam tikros sąlygos – pavyzdžiui, pastovus energijos šaltinis, organiniai junginiai ir vanduo. Matricos ir membranos suformuoti skyriai labai svarbūs, nes sukuria stabilią aplinką, kurioje gali koncentruotis reagentai ir apsaugoti juos nuo išorinės aplinkos, todėl gali vykti būtinos cheminės reakcijos.

Todėl kyla du esminiai klausimai: iš kokių medžiagų buvo pagaminta protoląstelių matrica ir membrana? Ir kaip jos leido ankstyvosioms ląstelėms išlaikyti stabilumą bei funkcionalumą, reikalingą virsti sudėtingomis ląstelėmis, kurios šiandien sudaro visus gyvuosius organizmus?

Burbuliukai prieš lašelius

Mokslininkai teigia, kad du skirtingi protoląstelių modeliai – vezikulės ir koacervatai – galėjo atlikti esminį vaidmenį ankstyvuosiuose gyvybės etapuose.

Vezikulės – tai maži burbuliukai, kaip muilas vandenyje. Jos sudarytos iš riebalų molekulių, vadinamų lipidais, kurie natūraliai sudaro plonas plėveles.

Vezikulės susidaro, kai šios plėvelės susisuka į rutuliuką, kuris gali apgaubti chemines medžiagas ir apsaugoti svarbias reakcijas nuo atšiaurios aplinkos ir galimo skilimo.

Vezikulės, tarsi miniatiūriniai gyvybės židiniai, primena šiuolaikinių ląstelių struktūrą ir funkcijas. Tačiau kitaip nei šiuolaikinių ląstelių membranos, vezikulinės protoląstelėse nebūtų specializuotų baltymų, kurie selektyviai praleidžia molekules į ląstelę ir iš jos bei užtikrina ryšį tarp ląstelių. Be šių baltymų vezikulinės protoląstelės turėtų ribotas galimybes veiksmingai sąveikauti su aplinka, o tai ribotų jų gyvybines galimybes.

Kita vertus, koacervatai yra lašeliai, susidarę iš organinių molekulių – pavyzdžiui, peptidų ir nukleino rūgščių – sankaupų. Jie susidaro, kai organinės molekulės sulimpa tarpusavyje dėl cheminių savybių, kurios traukia jas vieną prie kitos – pavyzdžiui, elektrostatinių jėgų tarp priešingai įkrautų molekulių. Tai tos pačios jėgos, dėl kurių balionai „limpa“ prie plaukų.

Koacervatus galima įsivaizduoti kaip vandenyje plaukiojančius aliejaus lašelius. Panašiai kaip ir aliejaus lašeliai, koacervatų protoelementai neturi membranos. Neturint membranos, aplinkinis vanduo gali lengvai keistis medžiagomis su protoelementais. Ši struktūrinė ypatybė padeda koacervatams koncentruoti chemines medžiagas ir pagreitinti chemines reakcijas, taip sukuriant triukšmingą aplinką gyvybės pagrindams.

Taigi, dėl to, kad nėra membranos, koacervatai yra tinkamesni kandidatai į protoląsteles nei vezikulės. Tačiau membranos nebuvimas taip pat yra didelis trūkumas: tai reiškia genetinės medžiagos nutekėjimo galimybę.

Nestabilios ir nesandarios protoląstelės

Praėjus keleriems metams po to, kai olandų chemikai 1929 m. atrado koacervatų lašelius, rusų biochemikas Aleksandras Oparinas pasiūlė idėją, kad koacervatai yra ankstyviausias protoląstelių modelis. Jis teigė, kad koacervato lašeliai buvo primityvi kompartmentalizacijos forma, labai svarbi ankstyviesiems medžiagų apykaitos procesams ir savireplikacijai.

Vėliau mokslininkai atrado, kad koacervatai kartais gali būti sudaryti iš priešingai įkrautų polimerų: ilgų, grandininių molekulių, kurios molekuliniu masteliu primena spagečius, turinčius priešingus elektrinius krūvius.

Sumaišius priešingų elektros krūvių polimerus, jie linkę vienas kitą pritraukti ir sulipti, sudarydami lašelius be membranos. Membranos nebuvimas tapo iššūkiu: lašeliai greitai susilieja vienas su kitu, panašiai kaip atskiri aliejaus lašeliai vandenyje susijungia į didelę dėmę. Be to, membranos nebuvimas leido RNR – genetinės medžiagos rūšiai, kuri laikoma ankstyviausia save replikuojančia molekule, labai svarbia ankstyvosiose gyvybės stadijose – greitai keistis tarp protoląstelių.

Jackas Szostakas 2017 m. parodė, kad dėl greito medžiagų susiliejimo ir apsikeitimo RNR gali nekontroliuojamai susimaišyti, o tai apsunkina stabilių ir skirtingų genetinių sekų evoliuciją. Šis apribojimas leido manyti, kad koacervatai gali nesugebėti išlaikyti ankstyvajai gyvybei būtinos kompartmentalizacijos. O kompartmentalizacija yra griežtas natūraliosios atrankos ir evoliucijos reikalavimas.

Jei koacervatų protoląstelės nuolat susilietų, o jų genai nuolat maišytųsi ir keistųsi tarpusavyje, visos jos būtų panašios viena į kitą be jokių genetinių skirtumų. Nesant genetinės variacijos, nė viena protoląstelė neturėtų didesnės tikimybės išgyventi, daugintis ir perduoti savo genus būsimoms kartoms. Tačiau šiandien gyvybė klesti turėdama įvairios genetinės medžiagos – o tai rodo, kad gamta kažkaip išsprendė šią problemą. Vadinasi, šios problemos sprendimas turėjo egzistuoti, galbūt pasislėpęs visiems matomoje vietoje.

Lietaus vanduo ir RNR

Čikagos universiteto Chemijos inžinerijos postdoktoranto Amano Agrawalo 2022 m. atliktas tyrimas parodė, kad koacervato lašeliai gali stabilizuotis ir nesusilieti, jei yra panardinti į dejonizuotą vandenį – vandenį, kuriame nėra ištirpusių jonų ir mineralų. Lašeliai išskiria į vandenį jonus, kurie, tikėtina, leidžia priešingai įkrautiems polimerams periferijoje priartėti vienam prie kito ir sudaryti tinklinį sluoksnį. Ši tinklinė „sienelė“ veiksmingai stabdo lašelių susiliejimą.

A. Agrawalas toliau su kolegomis ir bendradarbiais, tarp kurių buvo Matthew Tirrellas ir Jackas Szostakas, studijavo genetinės medžiagos mainus tarp protoląstelių. Į mėgintuvėlius įdėjo dvi atskiras protoląstelių populiacijas, apdorotas dejonizuotu vandeniu. Vienoje iš šių populiacijų buvo RNR. Sumaišius šias dvi populiacijas, RNR išliko atitinkamose protoląstelėse kelias dienas. Protoelementų tinklinės „sienelės“ trukdė RNR nutekėti. Priešingai, sumaišius protoelementus, kurie nebuvo apdoroti dejonizuotu vandeniu, RNR per kelias sekundes pasklido iš vieno protoelemento į kitą.

Įkvėptas šių rezultatų, Alamgiras Karimas pagalvojo, ar lietaus vanduo, kuris yra natūralus jonų neturinčio vandens šaltinis, prebiotiniame pasaulyje galėjo padaryti tą patį. Kartu su Anusha Vonteddu A. Agrawalas nustatė, kad lietaus vanduo iš tiesų stabilizuoja protoląstelę nuo susiliejimo. Mokslininkai mano, kad lietus galėjo nutiesti kelią pirmosioms ląstelėms.

Tarpdisciplininis darbas

Gyvybės atsiradimo tyrinėjimas susijęs tiek su moksliniu smalsumu, kaip atsirado gyvybė Žemėje, tiek su filosofiniais klausimais apie mūsų vietą Visatoje ir egzistencijos prigimtį.

Šiuo metu A. Agrawalas tyrimuose gilinasi į pačią genų replikacijos protoląstelėse pradžią. Nesant šiuolaikinių baltymų, kurie ląstelėse kopijuoja genus, prebiotiniame pasaulyje RNR kopijų kūrimui tarp nukleotidų – genetinės medžiagos statybinių blokų – buvo naudojamos paprastos cheminės reakcijos. Suprasti, kaip nukleotidai susijungė į ilgą RNR grandinę, yra labai svarbus žingsnis siekiant išsiaiškinti prebiotinę evoliuciją.

Norint atsakyti į gilų gyvybės kilmės klausimą, labai svarbu suprasti geologines, chemines ir aplinkos sąlygas ankstyvojoje Žemėje, maždaug prieš 3,8 mlrd. metų. Taigi, gyvybės ištakų atskleidimas nėra vien biologų reikalas. Šį žavų egzistencinį klausimą tyrinėja tokie chemijos inžinieriai kaip aš ir įvairių mokslo sričių tyrėjai, teigia A. Agrawalas.

Parengta pagal „The Conversation“.