A modern sejtek rendkívül összetett rendszerek, amelyek belső vázzal, precízen szabályozott kémiai folyamatokkal és genetikai utasításokkal működnek, így képesek alkalmazkodni a legkülönfélébb környezetekhez és versenyelőnyre szert tenni.

Ezzel szemben a legkorábbi sejtszerű struktúrák egyszerű, lipidmembránnal határolt apró hólyagok voltak, amelyek alapvető szerves molekulákat zártak magukba, ezért a kutatók számára továbbra is kulcskérdés, miként juthattak el ezek a primitív rendszerek a mai sejtek bonyolultságáig.

A vizsgálati eredmények

A Tokiói Tudományos Intézet Earth-Life Science Institute kutatói olyan kísérleteket végeztek, amelyek az ősi Föld környezeti viszonyait modellezték, és azt vizsgálták, miként befolyásolja a membrán összetétele a kezdetleges protocellák növekedését, összeolvadását és molekulamegtartó képességét ismétlődő fagyási és olvadási ciklusok során. A kutatócsoport nem egyetlen elméletet kívánt igazolni az élet eredetére vonatkozóan, hanem valósághű fizikai folyamatokat utánzó rendszerekben tesztelte, hogyan reagálhattak ezek az egyszerű struktúrák a hőmérséklet-ingadozásokra.

A vizsgálatokhoz nagy, egyrétegű vezikulákat hoztak létre, amelyek háromféle foszfolipidből épültek fel, nevezetesen POPC, PLPC és DOPC molekulákból, amelyek szerkezete hasonló, ugyanakkor a telítetlen kötések számában eltér egymástól. „Foszfatidilkolint használtunk membránkomponensként, mivel kémiai szerkezetük folytonosságot mutat a modern sejtekkel, prebiotikus körülmények között is elérhetők lehettek, és képesek megőrizni a létfontosságú molekulákat” – mondta Sinoda Tacujja, a kutatás vezető szerzője.

Nem olvadtak teljesen össze

A POPC merevebb membránokat alkot, míg a több kettős kötést tartalmazó PLPC és DOPC lazább, folyékonyabb szerkezetet eredményez, ami jelentős hatással van a hólyagok viselkedésére – írja a ScienceDaily.

Amikor a vezikulákat ismétlődő fagyási és olvadási ciklusoknak tették ki, markáns különbségek jelentek meg, mivel a POPC-ban gazdag struktúrák ugyan csoportosultak, de nem olvadtak teljesen össze, ezzel szemben a PLPC-t vagy DOPC-t tartalmazó membránok nagyobb egységekké egyesültek. Minél magasabb volt a PLPC aránya, annál valószínűbbé vált az összeolvadás és a növekedés.

„A jégkristályok képződése során fellépő stressz hatására a membránok destabilizálódhatnak vagy feldarabolódhatnak, ezért olvadáskor szerkezeti átrendeződésre kényszerülnek. A nagyobb fokú telítetlenségből adódó lazább oldalsó szerveződés több hidrofób régiót tehet szabaddá az újjáépülés során, ami elősegíti a szomszédos vezikulákkal való kölcsönhatást és energetikailag kedvezővé teszi a fúziót” – magyarázta Noda Nacumi kutató.

Az összeolvadás fontossága

Az összeolvadás azért bír kiemelt jelentőséggel, mert lehetővé teszi a különálló kompartmentek tartalmának keveredését, ami az ősi Földön elősegíthette a szétszórtan jelen lévő szerves molekulák találkozását és reakcióját. A kutatók azt is megfigyelték, hogy a kizárólag PLPC-ből álló vezikulák hatékonyabban zárták magukba és tartották meg a DNS-t, mint a POPC-alapú struktúrák, és ez a különbség a fagyási és olvadási ciklusokat követően is fennmaradt.

Az eredmények új megvilágításba helyezik az élet kialakulásának lehetséges színtereit, mivel a korábbi elméletek elsősorban a kiszáradó felszíni tavakat vagy a mélytengeri hidrotermális kürtőket tekintették valószínű helyszínnek.

Az ősi Földön hosszú időn keresztül ismétlődhettek fagyási és olvadási periódusok, amelyek során a növekvő jégkristályok a folyadékfázisba szorították az oldott molekulákat, így koncentráltabb mikrokörnyezeteket hoztak létre, ami növelhette a kémiai kölcsönhatások esélyét.

Mindez azonban kompromisszumot is jelentett, mivel a folyékonyabb membránok kedveznek az összeolvadásnak és a molekulakeveredésnek, ugyanakkor sérülékenyebbé válhatnak, ami szivárgáshoz vezethet. „Az egymást követő generációk során a fagyás és olvadás által növekedett vezikulák rekurzív szelekciója megvalósulhat, ha olyan osztódási mechanizmusok társulnak hozzájuk, mint az ozmotikus nyomás vagy a mechanikai nyírás. A molekuláris komplexitás növekedésével a vezikulák belső rendszere, vagyis a génkódolt funkciók, fokozatosan átvehették a protocellák rátermettségének irányítását, ami végül darwini evolúcióra képes ősi sejtek megjelenéséhez vezethetett” – fogalmazott Macuura Tomoaki professzor.