Jedno z najważniejszych nierozwiązanych pytań na temat pochodzenia życia dotyczy tego, w jaki sposób krople RNA unoszące się w pierwotnej zupie przekształciły się w chronione błoną pakiety życia, które nazywamy komórkami.
Rozwiązanie tego problemu zaproponowali w nowym artykule inżynierowie z Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) na Uniwersytecie w Chicago, Wydziału Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu w Houston oraz biolodzy z Wydziału Chemii UChicago.
W artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Science Advances, badacz podoktorancki z UChicago PME Aman Agrawal i jego współautorzy – w tym emerytowany dziekan UChicago PME Matthew Tirrell i biolog Jack Szostak, laureat Nagrody Nobla – pokazują, jak woda deszczowa mogła przyczynić się do powstania siateczkowatej ściany wokół protokomórek 3,8 miliarda lat temu, co stanowiło kluczowy krok w transformacji od maleńkich kuleczek RNA do każdej bakterii, rośliny, zwierzęcia i człowieka, jacy kiedykolwiek żyli.
„To wyjątkowa i nowatorska obserwacja” – powiedział Tirrell.
Badania dotyczą „kropli koacerwatu” – naturalnie występujących przedziałów złożonych cząsteczek, takich jak białka, lipidy i RNA. Krople, które zachowują się jak krople oleju kuchennego w wodzie, od dawna były brane pod uwagę jako kandydaci na pierwsze protokomórki. Ale był problem. Nie chodziło o to, że te krople nie mogły wymieniać między sobą cząsteczek, co było kluczowym etapem ewolucji, ale o to, że robiły to zbyt dobrze i zbyt szybko.
Każda kropla zawierająca nową, potencjalnie użyteczną przedżyciową mutację RNA wymieniłaby to RNA z innymi kroplami RNA w ciągu kilku minut, co oznacza, że wszystkie szybko stałyby się takie same. Nie byłoby żadnego zróżnicowania ani konkurencji — co oznacza brak ewolucji.
A to oznacza brak życia.
„Jeśli cząsteczki stale wymieniają się między kroplami lub między komórkami, to po krótkim czasie wszystkie komórki będą wyglądać podobnie i nie będzie żadnej ewolucji, ponieważ w efekcie powstaną identyczne klony” – powiedział Agrawal.
Inżynieria rozwiązania
Życie z natury jest nauką interdyscyplinarną, dlatego Szostak, dyrektor Centrum Początków Życia na Uniwersytecie w Chicago, powiedział, że naturalną decyzją była współpraca zarówno z UChicago PME, interdyscyplinarną szkołą inżynierii molekularnej na Uniwersytecie w Chicago, jak i z wydziałem inżynierii chemicznej Uniwersytetu w Houston.
„Inżynierowie od dawna badają chemię fizyczną tego typu kompleksów – i ogólniej chemię polimerów. To logiczne, że w szkole inżynierskiej jest ekspert” – powiedział Szostak. „Kiedy patrzymy na coś takiego jak pochodzenie życia, jest to tak skomplikowane i jest tak wiele części, że potrzebujemy ludzi, którzy mają jakiekolwiek doświadczenie w tej dziedzinie”.
Na początku XXI wieku Szostak zaczął patrzeć na RNA jako na pierwszy materiał biologiczny, który się rozwinął. Rozwiązał problem, który długo blokował badaczy patrzących na DNA lub białka jako na najwcześniejsze cząsteczki życia.
„To jak problem jajka i kury. Co było pierwsze?” – powiedział Agrawal. „DNA to cząsteczka, która koduje informacje, ale nie może wykonywać żadnej funkcji. Białka to cząsteczki, które wykonują funkcje, ale nie kodują żadnej dziedzicznej informacji”.
Naukowcy tacy jak Szostak wysunęli teorię, że RNA pojawiło się jako pierwsze i „zajęło się wszystkim”, jak to ujął Agrawal, a następnie z niego powoli ewoluowały białka i DNA.
„RNA to cząsteczka, która, podobnie jak DNA, może kodować informacje, ale składa się również jak białka, dzięki czemu może również wykonywać funkcje takie jak kataliza” – powiedział Agrawal.
RNA był prawdopodobnym kandydatem na pierwszy materiał biologiczny. Krople koacerwatu były prawdopodobnymi kandydatami na pierwsze protokomórki. Krople koacerwatu zawierające wczesne formy RNA wydawały się naturalnym kolejnym krokiem.
Tak było, dopóki Szostak nie poddał tej teorii w wątpliwość, publikując w 2014 r. artykuł, w którym wykazał, że RNA w kroplach koacerwatu wymienia się zbyt szybko.
„Można tworzyć wszelkiego rodzaju kropelki różnych typów koacerwatów, ale nie zachowują one swojej odrębnej tożsamości. Mają tendencję do zbyt szybkiej wymiany zawartości RNA. To długotrwały problem” — powiedział Szostak. „W tym nowym artykule pokazaliśmy, że można przezwyciężyć przynajmniej część tego problemu, przenosząc te kropelki koacerwatów do wody destylowanej — na przykład deszczówki lub słodkiej wody dowolnego typu — i uzyskują one rodzaj twardej skóry wokół kropelek, która uniemożliwia im wymianę zawartości RNA”.
„Spontaniczny zapłon idei”
Agrawal zaczął przenosić krople koacerwatu do wody destylowanej podczas swoich badań doktoranckich na University of Houston, badając ich zachowanie w polu elektrycznym. W tym momencie badania nie miały nic wspólnego z pochodzeniem życia, po prostu badały fascynujący materiał z perspektywy inżynierskiej.
„Inżynierowie, szczególnie chemicy i materiały, mają dobrą wiedzę na temat tego, jak manipulować właściwościami materiałów, takimi jak napięcie międzyfazowe, rola naładowanych polimerów, sól, kontrola pH itp.”, powiedział prof. Alamgir Karim z University of Houston, były promotor pracy magisterskiej Agrawala i starszy współautor nowego artykułu. „Są to wszystkie kluczowe aspekty świata popularnie znanego jako „płyny złożone” – pomyśl o szamponie i mydle w płynie”.
Agrawal chciał zbadać inne podstawowe właściwości koacerwatów podczas swojego doktoratu. Nie była to dziedzina badań Karima, ale Karim pracował dekady wcześniej na University of Minnesota pod okiem jednego z najlepszych ekspertów na świecie – Tirrella, który później został dziekanem założycielem Pritzker School of Molecular Engineering na UChicago.
Podczas lunchu z Agrawalem i Karimem Tirrell poruszył kwestię, w jaki sposób badania nad wpływem wody destylowanej na krople koacerwatu mogą mieć związek z pochodzeniem życia na Ziemi. Tirrell zapytał, gdzie woda destylowana istniałaby 3,8 miliarda lat temu.
„Spontanicznie powiedziałem 'deszczówka!' Jego oczy rozbłysły i był bardzo podekscytowany tą sugestią” – powiedział Karim. „Można więc powiedzieć, że to był spontaniczny zapłon idei lub ideacji!”
Tirrell przedstawił badania Agrawala nad wodą destylowaną Szostakowi, który niedawno dołączył do University of Chicago, aby poprowadzić inicjatywę zwaną wówczas Origins of Life Initiative. Zadał to samo pytanie, które zadał Karimowi.
„Powiedziałem mu: 'Skąd twoim zdaniem mogłaby pochodzić woda destylowana w świecie prebiotycznym?'” – wspominał Tirrell. „A Jack powiedział dokładnie to, czego się po nim spodziewałem, czyli deszcz”.
Pracując z próbkami RNA z Szostaka, Agrawal odkrył, że przeniesienie kropel koacerwatu do wody destylowanej wydłużyło skalę czasową wymiany RNA — z kilku minut do kilku dni. Było to wystarczająco długo na mutację, konkurencję i ewolucję.
„Jeśli masz populacje protokomórek, które są niestabilne, wymienią się one między sobą materiałem genetycznym i staną się klonami. Nie ma możliwości ewolucji darwinowskiej” — powiedział Agrawal. „Ale jeśli ustabilizują się przeciwko wymianie, tak że będą wystarczająco dobrze przechowywać swoją informację genetyczną, przynajmniej przez kilka dni, aby mutacje mogły się wydarzyć w ich sekwencjach genetycznych, wtedy populacja może ewoluować”.
Deszcz, sprawdzone
Początkowo Agrawal eksperymentował z wodą dejonizowaną, która jest oczyszczana w warunkach laboratoryjnych. „To skłoniło recenzentów czasopisma do zadania sobie pytania, co by się stało, gdyby prebiotyczna woda deszczowa była bardzo kwaśna” – powiedział.
Komercyjna woda laboratoryjna jest wolna od wszelkich zanieczyszczeń, nie zawiera soli i ma neutralne pH idealnie zrównoważone między zasadą a kwasem. Krótko mówiąc, jest to tak dalekie od warunków rzeczywistych, jak tylko materiał może być. Musieli pracować z materiałem bardziej przypominającym prawdziwy deszcz.
Co jest bardziej podobne do deszczu niż deszcz?
„Po prostu zebraliśmy wodę deszczową w Houston i przetestowaliśmy stabilność naszych kropel, tylko po to, aby upewnić się, że to, co raportujemy, jest dokładne” – powiedział Agrawal.
W testach z prawdziwą deszczówką i wodą laboratoryjną zmodyfikowaną tak, aby naśladowała kwasowość deszczówki, uzyskano takie same wyniki. Powstały siateczkowate ściany, tworząc warunki, które mogły doprowadzić do powstania życia.
Skład chemiczny deszczu padającego nad Houston w latach 2020. nie jest deszczem, który spadłby 750 milionów lat po uformowaniu się Ziemi, i to samo można powiedzieć o modelu systemu protokomórek testowanym przez Agrawala. Nowa praca dowodzi, że takie podejście polegające na budowaniu siateczkowatej ściany wokół protokomórek jest możliwe i może współpracować w celu podziału cząsteczek życia, przybliżając badaczy bardziej niż kiedykolwiek do znalezienia właściwego zestawu warunków chemicznych i środowiskowych, które umożliwiają ewolucję protokomórek.
„Cząsteczki, których użyliśmy do zbudowania tych protokomórek, są tylko modelami, dopóki nie znajdziemy bardziej odpowiednich cząsteczek jako substytutów” — powiedział Agrawal. „Chociaż chemia byłaby trochę inna, fizyka pozostanie taka sama”.