Биолог, носител на Нобелова награда, два инженерни факуптета и флакон с дъждовна вода от Хюстън хвърлят нова светлина върху произхода на живота на Земята

Ново проучване показва, че дъждовната вода може да е помогнала на ранните РНК структури да се развият в протоклетки, като е образувала защитни бариери около тях, подпомагайки еволюцията им в сложни форми на живот.

Фундаментален въпрос за произхода на живота е как капчици РНК, плаващи в първичната супа, са се превърнали в мембранно защитени пакети живот, които наричаме клетки.

Сега екип от изследователи от Факултета по молекулярно инженерство „Прицкер“ на Чикагския университет (UChicago), катедрата по химическо инженерство на университета в Хюстън и катедрата по химия на UChicago предлагат решение.

В ново проучване, публикувано в Science Advances, постдокторантът Аман Агравал (Aman Agrawal) и неговите съавтори, сред които почетният декан на UChicago PME Матю Тирел (Matthew Tirrell) и носителят на Нобелова награда за биология Джак Шостак (Jack Szostak), показват как дъждовната вода може да е помогнала за създаването на рехава стена около протоклетките преди 3,8 милиарда години - решаваща стъпка в прехода от малки капчици РНК към всички бактерии, растения, животни и хора, живели някога.

„Това е забележително и ново наблюдение“, заявява Тирел.

Проблемът със стабилността на протоклетките

Изследването разглежда „коацерватни капки“ - естествено срещащи се компоненти от сложни молекули като протеини, липиди и РНК. Капчиците, които се държат като капки готварско масло във вода, отдавна се разглеждат като кандидат за първи протоклетки. Но има проблем. Проблемът не е в това, че тези капки не могат да обменят молекули помежду си, което е ключова стъпка в еволюцията, а в това, че те го правят твърде добре и твърде бързо.

Всяка капчица, съдържаща нова, потенциално полезна мутация на РНК от преди живота, би обменила тази РНК с другите капчици РНК в рамките на няколко минути, което означава, че всички бързо биха станали еднакви. Нямаше да има диференциация и конкуренция - което означава, че нямаше да има еволюция. А това означава, че няма живот.

„Ако молекулите непрекъснато се обменят между капките или между клетките, тогава всички клетки след кратко време ще изглеждат еднакви и няма да има еволюция, защото се стига до идентични клонинги“, обяснява Агравал.

Съвместни изследвания и ролята на РНК

По своята същност животът е интердисциплинарен, така че Шостак, директор на Чикагския център за произхода на живота, заяви, че е естествено да си сътрудничи както с UChicago PME, интердисциплинарното училище по молекулярно инженерство на UChicago, така и с катедрата по химично инженерство в Университета в Хюстън.

„Инженерите от дълго време изучават физикохимията на този тип комплекси - и полимерната химия в по-общ план. Логично е в инженерното училище да има експертен опит“, посочва Шостак. „Когато разглеждаме нещо като произхода на живота, то е толкова сложно и има толкова много елементи, че е необходимо да се включат хора, които имат някакъв подходящ опит."

В началото на 2000 г. Шостак започва да разглежда РНК като първия биологичен материал, който се е развил. Той решава проблем, който дълго време е затруднявал изследователите, разглеждащи ДНК или протеините като най-ранните молекули на живота.

„Това е като проблема с кокошката и яйцето. Кое е било първо?", коментира Агравал. „ДНК е молекулата, която кодира информация, но не може да изпълнява никаква функция. Протеините са молекулите, които изпълняват функции, но те не кодират никаква наследствена информация."

Изследователи като Шостак изказват предположението, че РНК е била първа, „грижейки се за всичко“ по думите на Агравал, а протеините и ДНК бавно са еволюирали от нея.

„РНК е молекула, която, подобно на ДНК, може да кодира информация, но също така се сгъва като белтъците, за да може да изпълнява и функции като катализа“, обяснява Агравал.

РНК е вероятният кандидат за първия биологичен материал. Коацерватните капки са вероятни кандидати за първите протоклетки. Коацерватните капки, съдържащи ранни форми на РНК, изглеждат естествена следваща стъпка.

Изображение от флуоресцентна микроскопия на три съжителстващи популации от стабилни коацерватни протоклетки. Протоклетките съдържат дълги едноверижни РНК, маркирани със зелени, червени и сини флуоресцентни багрила. Липсата на каквото и да е смесване на цветовете предполага, че обменът на РНК между стабилните протоклетки е ограничен. Кредит: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Aman Agrawal

Откриване на стабилността на РНК в дъждовна вода

Това е така, докато Шостак не изля студен душ върху тази теория, публикувайки статия през 2014 г., която показва, че РНК в коацерватните капки се обменя твърде бързо.

„Можете да направите всякакви капки от различни видове коацервати, но те не запазват своята отделна идентичност. Те са склонни да обменят съдържанието си на РНК твърде бързо. Това е дългогодишен проблем“, отбелязва Шостак. „Това, което показахме в тази нова статия, е, че може да се преодолее поне част от този проблем, като се прехвърлят тези коацерватни капки в дестилирана вода - например дъждовна или сладка вода от всякакъв вид - и се получава нещо като твърда обвивка около капките, която ги ограничава да обменят съдържанието на РНК."

Диаграма на коацерватните капки в сравнение с коалесценциятаВъпреки че точният химичен състав както на ранните предбиологични молекули, така и на древния дъжд, остава неизвестен по онова време, в новата статия на постдокторанта от Факултета по молекулярно инженерство „Прицкер“ в Калифорнийския университет Аман Агравал се очертава как би могъл да се осъществи такъв преход. „Макар че химията би била малко по-различна, физиката ще остане същата“, обяснява Агравал. Кредит: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Aman Agrawal

Последици за пребиотичната еволюция

Работейки с РНК проби от Шостак, Агравал установява, че прехвърлянето на коацерватните капки в дестилирана вода увеличава времевата скала на обмена на РНК - от едва няколко минути до няколко дни. Това е достатъчно дълго време за мутации, конкуренция и еволюция.

„Ако имате популации от протоклетки, които са нестабилни, те ще обменят генетичния си материал помежду си и ще се превърнат в клонинги. Няма възможност за дарвинова еволюция“, посочва Агравал. „Но ако те се стабилизират срещу обмена, така че да съхраняват генетичната си информация достатъчно дълго, поне за няколко дни, за да могат да се случат мутации в генетичните им последователности, тогава популацията може да еволюира."

Първоначално Агравал експериментира с дейонизирана вода, която се пречиства в лабораторни условия. „Това подтикна рецензентите на списанието, които след това попитаха какво би се случило, ако пребиотичната дъждовна вода е много кисела“, казва той.

Тестване в реални условия и бъдещи насоки

Търговската лабораторна вода е свободна от всякакви замърсители, няма сол и с неутрално рН, перфектно балансирано между основа и киселина. Накратко, тя е много далече от реалните условия. Трябваше да се работи с материал, който да прилича повече на реалния дъжд.

„Ние просто събрахме дъждовна вода в Хюстън и тествахме стабилността на нашите капки в нея, просто за да сме сигурни, че това, което отчитаме, е точно“, разказва Агравал.

При тестовете с истинска дъждовна вода и с лабораторна вода, модифицирана така, че да имитира киселинността на дъждовната вода, те откриват същите резултати. Образували са се пропускливи стени, създаващи условия, които биха могли да доведат до появата на живот.

Химическият състав на дъжда, падащ над Хюстън през 2020 г., не е дъждът, който би паднал 750 млн. години след формирането на Земята, и същото може да се каже за моделната система от протоклетки, която Агравал тества. Новата статия доказва, че този подход на изграждане на пропусклива стена около протоклетките е възможен и може да работи заедно за разделяне на молекулите на живота, което поставя изследователите по-близо от всякога до намирането на правилния набор от химични и екологични условия, които позволяват на протоклетките да еволюират.

„Молекулите, които използвахме за изграждането на тези протоклетки, са само модели, докато не бъдат намерени по-подходящи молекули като заместители“, обяснява Агравал. „Въпреки че химията ще бъде малко по-различна, физиката ще остане същата."

Справка: „Did the exposure of coacervate droplets to rain make them the first stable protocells?” by Aman Agrawal, Aleksandar Radakovic, Anusha Vonteddu, Syed Rizvi, Vivian N. Huynh, Jack F. Douglas, Matthew V. Tirrell, Alamgir Karim and Jack W. Szostak, 21 August 2024, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adn9657

Източник: Life from a drop of rain: New research suggests rainwater helped form the first protocell walls, Paul Dailing, University of Chicago