Το Dividing Droplets θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση της ζωής

Μια συνεργασία φυσικών και βιολόγων στη Γερμανία βρήκε έναν απλό μηχανισμό που θα μπορούσε να επέτρεπε στα υγρά σταγονίδια να εξελιχθούν σε ζωντανά κύτταρα στην πρώιμη αρχέγονη σούπα της Γης.

Οι ερευνητές του Origin-of-Life επαίνεσαν τον μινιμαλισμό της ιδέας. Ο Ramin Golestanian, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που δεν συμμετείχε στην έρευνα, την αποκάλεσε μεγάλο επίτευγμα που υποδηλώνει ότι «η γενική φαινομενολογία του σχηματισμού ζωής είναι πολύ πιο εύκολη από ό,τι θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί».

Το κεντρικό ερώτημα σχετικά με την προέλευση της ζωής ήταν πώς προέκυψαν τα πρώτα κύτταρα από πρωτόγονους προδρόμους. Ποιοι ήταν αυτοί οι πρόδρομοι, που ονομάστηκαν «πρωτοκύτταρα», και πώς ζωντάνεψαν; Οι υποστηρικτές της υπόθεσης «πρώτα η μεμβράνη» υποστήριξαν ότι χρειαζόταν μια μεμβράνη λιπαρών οξέων για να μπλοκάρει τις χημικές ουσίες της ζωής και να επωάσει τη βιολογική πολυπλοκότητα. Αλλά πώς θα μπορούσε κάτι τόσο περίπλοκο όπως μια μεμβράνη να αρχίσει να αυτοαναπαράγεται και να πολλαπλασιάζεται, επιτρέποντας στην εξέλιξη να δράσει σε αυτό;

Το 1924, ο Αλεξάντερ Οπαρίν, ο Ρώσος βιοχημικός που οραματίστηκε για πρώτη φορά μια καυτή, αλμυρή αρχέγονη σούπα ως πηγή των ταπεινών αρχών της ζωής, πρότεινε ότι τα μυστηριώδη πρωτοκύτταρα μπορεί να ήταν υγρά σταγονίδια - φυσικά σχηματιζόμενα, δοχεία χωρίς μεμβράνη που συγκεντρώνουν χημικές ουσίες και έτσι καλλιεργούν αντιδράσεις. Τα τελευταία χρόνια, έχει βρεθεί ότι τα σταγονίδια εκτελούν μια σειρά από βασικές λειτουργίες μέσα στα σύγχρονα κύτταρα, αναζωογονώντας την ξεχασμένη εικασία του Oparin σχετικά με τον ρόλο τους στην εξελικτική ιστορία. Αλλά ούτε αυτός ούτε κανένας άλλος μπορούσε να εξηγήσει πώς τα σταγονίδια μπορεί να πολλαπλασιάστηκαν, να αναπτυχθούν και να διαιρεθούν και, στη διαδικασία, να εξελιχθούν στα πρώτα κύτταρα.

Τώρα, η νέα εργασία του David Zwicker και των συνεργατών του Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems και του Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, αμφότερα στη Δρέσδη, προτείνει μια απάντηση. Οι επιστήμονες μελέτησαν τη φυσική των «χημικά ενεργών» σταγονιδίων, τα οποία ανακυκλώνουν χημικά μέσα και έξω από το περιβάλλον υγρό, και ανακάλυψαν ότι αυτά τα σταγονίδια τείνουν να αυξάνονται στο μέγεθος των κυττάρων και να διαιρούνται, ακριβώς όπως τα κύτταρα. Αυτή η συμπεριφορά «ενεργών σταγονιδίων» διαφέρει από τις παθητικές και πιο οικείες τάσεις των σταγονιδίων λαδιού στο νερό, οι οποίες σβήνουν μαζί σε όλο και μεγαλύτερες σταγονίδια χωρίς να διαιρούνται ποτέ.

Εάν τα χημικά ενεργά σταγονίδια μπορούν να αυξηθούν σε ένα καθορισμένο μέγεθος και να χωριστούν από μόνα τους, τότε «καθιστά πιο εύλογο ότι θα μπορούσε να είχε υπάρξει αυθόρμητη εμφάνιση ζωής από μη ζωντανή σούπα», δήλωσε ο Frank Jülicher, βιοφυσικός στη Δρέσδη και συν- συγγραφέας της νέας εργασίας.

Τα ευρήματα αναφέρονται στο Nature Physics τον περασμένο μήνα, ζωγραφίστε μια πιθανή εικόνα της αρχής της ζωής εξηγώντας «πώς τα κύτταρα έκαναν κόρες», είπε ο Zwicker, ο οποίος είναι τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Αυτό είναι, φυσικά, το κλειδί εάν θέλετε να σκεφτείτε την εξέλιξη."

Ο Luca Giomi, θεωρητικός βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Leiden στην Ολλανδία που μελετά τους πιθανούς φυσικούς μηχανισμούς πίσω από την προέλευση της ζωής, είπε ότι η νέα πρόταση είναι σημαντικά απλούστερη από άλλους μηχανισμούς διαίρεσης πρωτοκυττάρων που έχουν εξεταστεί, αποκαλώντας την «μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση. ”

Ωστόσο, ο David Deamer, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, και επί μακρόν υποστηρικτής της υπόθεσης της πρώτης μεμβράνης, υποστηρίζει ότι ενώ ο νέος μηχανισμός διαίρεσης σταγονιδίων είναι ενδιαφέρον, η σχέση του με την προέλευση της ζωής μένει να φανεί. . Ο μηχανισμός απέχει πολύ, σημείωσε, από την περίπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων με την οποία διαιρούνται τα σύγχρονα κύτταρα.

Θα μπορούσαν τα απλά διαχωριστικά σταγονίδια να έχουν εξελιχθεί στο γεμάτο θηριοτροφείο της σύγχρονης ζωής, από αμοιβάδες έως ζέβρες; Φυσικοί και βιολόγοι που γνωρίζουν τη νέα εργασία λένε ότι είναι εύλογο. Ως επόμενο βήμα, διεξάγονται πειράματα στη Δρέσδη για να προσπαθήσουν να παρατηρήσουν την ανάπτυξη και τη διαίρεση ενεργών σταγονιδίων από συνθετικά πολυμερή που διαμορφώνονται σύμφωνα με τα σταγονίδια που βρίσκονται στα ζωντανά κύτταρα. Μετά από αυτό, οι επιστήμονες ελπίζουν να παρατηρήσουν βιολογικά σταγονίδια που διαιρούνται με τον ίδιο τρόπο.

Ο Clifford Brangwynne, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που ήταν μέλος της ομάδας με έδρα τη Δρέσδη που αναγνώρισε τα πρώτα υποκυτταρικά σταγονίδια πριν από οκτώ χρόνια - μικροσκοπικά υγρά συσσωματώματα πρωτεΐνης και RNA στα κύτταρα του σκουληκιού C. elegans — εξήγησε ότι δεν θα ήταν περίεργο αν αυτά ήταν απομεινάρια της εξελικτικής ιστορίας. Ακριβώς όπως τα μιτοχόνδρια, οργανίδια που έχουν το δικό τους DNA, προήλθαν από αρχαία βακτήρια που μόλυναν κύτταρα και ανέπτυξαν μια συμβιωτική σχέση μαζί τους, «οι συμπυκνωμένες υγρές φάσεις που βλέπουμε στα ζωντανά κύτταρα μπορεί να αντανακλούν, με παρόμοια έννοια, ένα είδος απολιθωμάτων των φυσικοχημικών κινητήριων δυνάμεων που βοήθησαν στη δημιουργία κυττάρων στην πρώτη θέση», είπε.

«Αυτή η Φυσική της Φύσης Το χαρτί το πηγαίνει στο επόμενο επίπεδο», αποκαλύπτοντας τα χαρακτηριστικά που θα χρειάζονταν τα σταγονίδια «για να παίξουν ρόλο ως πρωτοκύτταρα», πρόσθεσε ο Brangwynne.

Σταγονίδια στη Δρέσδη

Οι ανακαλύψεις σταγονιδίων της Δρέσδης ξεκίνησαν το 2009, όταν ο Brangwynne και οι συνεργάτες του απομυθοποίησαν τη φύση των μικρών κουκκίδων που είναι γνωστές ως "P granules" στο C. elegans βλαστικά κύτταρα, τα οποία υφίστανται διαίρεση σε σπέρμα και κύτταρα ωαρίων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας διαίρεσης, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι κόκκοι P αναπτύσσονται, συρρικνώνονται και κινούνται στα κύτταρα μέσω διάχυσης. Η ανακάλυψη ότι πρόκειται για σταγονίδια υγρού, αναφέρεται στο Science , προκάλεσε ένα κύμα δραστηριότητας καθώς άλλες υποκυτταρικές δομές ταυτοποιήθηκαν επίσης ως σταγονίδια. Δεν χρειάστηκε πολύς χρόνος για τον Brangwynne και τον Tony Hyman, επικεφαλής του εργαστηρίου βιολογίας της Δρέσδης όπου έγιναν τα αρχικά πειράματα, για να κάνουν τη σύνδεση με τη θεωρία πρωτοκυττάρων του Oparin του 1924. Σε ένα δοκίμιο του 2012 για τη ζωή και το σημαντικό βιβλίο του Oparin, The Origin of Life , οι Brangwynne και Hyman έγραψαν ότι τα σταγονίδια για τα οποία υποστήριξε τη θεωρία «μπορεί να είναι ακόμα ζωντανά και καλά, ασφαλή μέσα στα κύτταρά μας, όπως οι μύγες στο εξελισσόμενο κεχριμπάρι της ζωής».

Ο Oparin υπέθεσε ότι οι κεραυνοί ή η γεωθερμική δραστηριότητα στην πρώιμη Γη θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν τη σύνθεση οργανικών μακρομορίων απαραίτητων για τη ζωή - μια εικασία που έγινε αργότερα ανεξάρτητα από τον Βρετανό επιστήμονα John Haldane και επιβεβαιώθηκε θριαμβευτικά από το πείραμα Miller-Urey τη δεκαετία του 1950. Μια άλλη από τις ιδέες του Oparin, ότι τα υγρά συσσωματώματα αυτών των μακρομορίων θα μπορούσαν να χρησίμευαν ως πρωτοκύτταρα, ήταν λιγότερο γνωστή, εν μέρει επειδή δεν είχε ιδέα για το πώς θα μπορούσαν να είχαν αναπαραχθεί τα σταγονίδια, επιτρέποντας έτσι την εξέλιξη. Ούτε η ομάδα της Δρέσδης που μελέτησε τους κόκκους P δεν γνώριζε.

Στον απόηχο της ανακάλυψής τους, ο Jülicher ανέθεσε στον νέο του μαθητή, Zwicker, το έργο να ξετυλίξει τη φυσική των κεντροσωμάτων, οργανιδίων που εμπλέκονται στη διαίρεση των ζωικών κυττάρων που επίσης φαινόταν να συμπεριφέρονται σαν σταγονίδια. Ο Zwicker μοντελοποίησε τα κεντροσώματα ως συστήματα «εκτός ισορροπίας» που είναι χημικά ενεργά, κυκλώνοντας συνεχώς τις συστατικές πρωτεΐνες μέσα και έξω από το περιβάλλον υγρό κυτταρόπλασμα. Στο μοντέλο του, αυτές οι πρωτεΐνες έχουν δύο χημικές καταστάσεις. Οι πρωτεΐνες στην κατάσταση Α διαλύονται στο περιβάλλον υγρό, ενώ αυτές στην κατάσταση Β είναι αδιάλυτες, συσσωματώνονται μέσα σε ένα σταγονίδιο. Μερικές φορές, οι πρωτεΐνες στην κατάσταση Β αλλάζουν αυθόρμητα στην κατάσταση Α και ρέουν έξω από το σταγονίδιο. Μια πηγή ενέργειας μπορεί να προκαλέσει την αντίστροφη αντίδραση, αναγκάζοντας μια πρωτεΐνη στην κατάσταση Α να ξεπεράσει ένα χημικό φράγμα και να μετατραπεί σε κατάσταση Β. όταν αυτή η αδιάλυτη πρωτεΐνη προσκρούει σε ένα σταγονίδιο, γλιστράει εύκολα μέσα, σαν μια σταγόνα βροχής σε μια λακκούβα. Έτσι, όσο υπάρχει μια πηγή ενέργειας, τα μόρια ρέουν μέσα και έξω από ένα ενεργό σταγονίδιο. «Στο πλαίσιο της πρώιμης Γης, το ηλιακό φως θα ήταν η κινητήρια δύναμη», είπε ο Jülicher.

Ο Zwicker ανακάλυψε ότι αυτή η χημική εισροή και εκροή θα αντισταθμίσουν ακριβώς η μία την άλλη όταν ένα ενεργό σταγονίδιο φτάσει σε έναν ορισμένο όγκο, προκαλώντας το σταγονίδιο να σταματήσει να αναπτύσσεται. Τα τυπικά σταγονίδια στις προσομοιώσεις του Zwicker αυξήθηκαν σε δεκάδες ή εκατοντάδες μικρά σε διάμετρο ανάλογα με τις ιδιότητές τους — την κλίμακα των κυττάρων.

Η επόμενη ανακάλυψη ήταν ακόμη πιο απροσδόκητη. Αν και τα ενεργά σταγονίδια έχουν σταθερό μέγεθος, ο Zwicker διαπίστωσε ότι είναι ασταθείς ως προς το σχήμα:Όταν ένα πλεόνασμα μορίων Β εισέρχεται σε ένα σταγονίδιο σε ένα μέρος της επιφάνειάς του, προκαλώντας το να διογκωθεί ελαφρά προς αυτή την κατεύθυνση, η επιπλέον επιφάνεια από Η διόγκωση επιταχύνει περαιτέρω την ανάπτυξη των σταγονιδίων καθώς περισσότερα μόρια μπορούν να διαχέονται στο εσωτερικό. Το σταγονίδιο επιμηκύνεται περαιτέρω και τσιμπάει στη μέση, η οποία έχει χαμηλή επιφάνεια. Τελικά, χωρίζεται σε ένα ζευγάρι σταγονιδίων, τα οποία στη συνέχεια μεγαλώνουν στο χαρακτηριστικό μέγεθος. Όταν ο Jülicher είδε προσομοιώσεις των εξισώσεων του Zwicker, «πήδηξε αμέσως πάνω σε αυτό και είπε:«Αυτό μοιάζει πολύ με διαίρεση», είπε ο Zwicker. "Και τότε όλη αυτή η ιδέα πρωτοκυττάρων εμφανίστηκε γρήγορα."

Οι Zwicker, Jülicher και οι συνεργάτες τους, Rabea Seyboldt, Christoph Weber και Tony Hyman, ανέπτυξαν τη θεωρία τους τα επόμενα τρία χρόνια, επεκτείνοντας το όραμα του Oparin. «Αν σκέφτεστε απλώς τα σταγονίδια όπως έκανε ο Oparin, τότε δεν είναι σαφές πώς η εξέλιξη θα μπορούσε να δράσει σε αυτά τα σταγονίδια», είπε ο Zwicker. "Για την εξέλιξη, πρέπει να δημιουργήσετε αντίγραφα του εαυτού σας με μικρές τροποποιήσεις και, στη συνέχεια, η φυσική επιλογή αποφασίζει πώς τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα."

Πρόγονος σφαιριδίου

Την περασμένη άνοιξη, ο Jülicher άρχισε να συναντιέται με την Ντόρα Τανγκ, επικεφαλής ενός εργαστηρίου βιολογίας στο Ινστιτούτο Μοριακής Κυτταρικής Βιολογίας και Γενετικής Max Planck, για να συζητήσουν σχέδια για προσπάθεια παρατήρησης της διαίρεσης ενεργών σταγονιδίων σε δράση.

Το εργαστήριο του Tang συνθέτει τεχνητά κύτταρα κατασκευασμένα από πολυμερή, λιπίδια και πρωτεΐνες που μοιάζουν με βιοχημικά μόρια. Τους επόμενους μήνες, αυτή και η ομάδα της θα ψάξουν για διαίρεση υγρών σταγονιδίων από πολυμερή που είναι φυσικά παρόμοια με τις πρωτεΐνες των κόκκων P και των κεντροσωμάτων. Το επόμενο βήμα, το οποίο θα γίνει σε συνεργασία με το εργαστήριο του Hyman, είναι να προσπαθήσουμε να παρατηρήσουμε κεντροσώματα ή άλλα βιολογικά σταγονίδια που διαιρούνται και να προσδιορίσουμε εάν χρησιμοποιούν τον μηχανισμό που προσδιορίζεται στο έγγραφο από τον Zwicker και τους συνεργάτες του. «Αυτό θα ήταν μεγάλη υπόθεση», είπε ο Giomi, ο βιοφυσικός του Leiden.

Όταν ο Deamer, ο πρώτος υποστηρικτής της μεμβράνης, διάβασε τη νέα εργασία, θυμήθηκε ότι είχε παρατηρήσει κάποτε κάτι σαν την προβλεπόμενη συμπεριφορά στα σταγονίδια υδρογονάνθρακα που είχε εξαγάγει από έναν μετεωρίτη. Όταν φώτισε τα σταγονίδια σε σχεδόν υπεριώδες φως, άρχισαν να κινούνται και να διαιρούνται. (Έστειλε πλάνα του φαινομένου στον Jülicher.) Ωστόσο, ο Deamer δεν είναι πεπεισμένος για τη σημασία του αποτελέσματος. "Δεν υπάρχει προφανής τρόπος για τον μηχανισμό διαίρεσης που ανέφεραν να εξελιχθεί στη σύνθετη διαδικασία με την οποία διαιρούνται πραγματικά τα ζωντανά κύτταρα", είπε.

Άλλοι ερευνητές διαφωνούν, συμπεριλαμβανομένου του Tang. Λέει ότι από τη στιγμή που τα σταγονίδια άρχισαν να διαιρούνται, θα μπορούσαν εύκολα να αποκτήσουν την ικανότητα να μεταφέρουν γενετικές πληροφορίες, διαιρώντας ουσιαστικά μια παρτίδα RNA ή DNA που κωδικοποιεί πρωτεΐνη σε ίσα δέματα για τα θυγατρικά τους κύτταρα. Εάν αυτό το γενετικό υλικό κωδικοποιούσε χρήσιμες πρωτεΐνες που αύξαναν τον ρυθμό διαίρεσης των σταγονιδίων, η φυσική επιλογή θα ευνοούσε τη συμπεριφορά. Τα πρωτοκύτταρα, που τροφοδοτούνται από το ηλιακό φως και τον νόμο της αυξανόμενης εντροπίας, θα είχαν γίνει σταδιακά πιο πολύπλοκα.

Ο Jülicher και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι κάπου στην πορεία, τα σταγονίδια πρωτοκυττάρων θα μπορούσαν να έχουν αποκτήσει μεμβράνες. Τα σταγονίδια συλλέγουν φυσικά κρούστες λιπιδίων που προτιμούν να βρίσκονται στη διεπιφάνεια μεταξύ των σταγονιδίων και του περιβάλλοντος υγρού. Κάπως έτσι, τα γονίδια μπορεί να άρχισαν να κωδικοποιούν αυτές τις μεμβράνες ως ένα είδος προστασίας. Όταν δόθηκε αυτή η ιδέα στον Deamer, είπε, «Μπορώ να το συμβιβάσω», σημειώνοντας ότι θα όριζε τα πρωτοκύτταρα ως τα πρώτα σταγονίδια που είχαν μεμβράνες.

Η αρχέγονη γραμμή πλοκής εξαρτάται, φυσικά, από το αποτέλεσμα μελλοντικών πειραμάτων, τα οποία θα καθορίσουν πόσο ισχυρός και σχετικός είναι πραγματικά ο προβλεπόμενος μηχανισμός διαίρεσης σταγονιδίων. Μπορούν να βρεθούν χημικές ουσίες με τις σωστές δύο καταστάσεις, Α και Β, για να επιβεβαιωθεί η θεωρία; Αν ναι, τότε αρχίζει να εστιάζεται μια βιώσιμη διαδρομή από τη μη ζωή στη ζωή.

Το πιο τυχερό μέρος της όλης διαδικασίας, κατά τη γνώμη του Jülicher, δεν ήταν ότι τα σταγονίδια μετατράπηκαν σε κύτταρα, αλλά ότι το πρώτο σταγονίδιο - ο σφαιρωτός πρόγονός μας - σχηματίστηκε από την αρχή. Τα σταγονίδια απαιτούν πολύ χημικό υλικό για να προκύψουν αυθόρμητα ή να «πυρηνωθούν», και δεν είναι σαφές πώς θα μπορούσαν να έχουν συσσωρευτεί τόσα πολλά από τα σωστά πολύπλοκα μακρομόρια στην αρχέγονη σούπα για να συμβεί αυτό. Αλλά και πάλι, είπε ο Jülicher, υπήρχε πολλή σούπα και μαγειρευόταν για αιώνες.

«Είναι ένα πολύ σπάνιο γεγονός. Πρέπει να περιμένετε πολύ για να συμβεί αυτό», είπε. "Και όταν συμβεί, τότε τα επόμενα πράγματα γίνονται πιο εύκολα και πιο συστηματικά."