Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали важный шаг к пониманию процесса зарождения жизни, создав синтетическую систему, которая воспроизводит ключевые свойства живых клеток. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry.
Ученые воссоздали процесс зарождения жизни из простых химических соединений
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали синтетическую клеточную систему, способную формировать мембраны и осуществлять метаболические процессы, то есть жить.
Реконструкция процесса. Под воздействием вихря энергии липиды и жирные кислоты соединяются вместе, образуя мембрану. Процесс цикличен: компоненты соединяются и разделяются, энергия добавляется и удаляется. Zhen Xu
В какой-то момент истории Земли химические соединения дали начало первым формам жизни. Этот переход от неживой материи к живым организмам остается одним из самых глубоких и нерешенных вопросов науки.
Точного определения жизни не существует, но обычно живые системы характеризуются тремя основными особенностями: компартментализацией, создающей границу между внутренней средой клетки и внешним миром; метаболизмом — химическими процессами построения и разрушения молекул; и селекцией, при которой определенные структуры получают преимущество благодаря своим свойствам.
Так исторически сложилось, что большинство усилий по созданию искусственной клетки было направлена на построение мембран и в этом направлении достигнуты значительные успехи. Мембрана, конечно, очень важна, но это еще не клетка. «Клетки без метаболической сети застывают — они не могут перестраиваться, расти и делиться», — объясняет Нил Деварадж, руководитель исследования. Команда ученых сосредоточилась именно на метаболизме, создав абиотическую систему из неживой материи.
Искусственный метаболизм
Строение искусственной мембраны.
Разработанная система использует химический цикл, в котором топливо активирует жирные кислоты. В качестве химического топлива ученые использовали специально синтезированные простые молекулы. Жирные кислоты соединяются с лизофосфолипидами, образуются молекулы фосфолипидов. (Процесс изображен на рисунке). У них есть: гидрофильная «головка» (она «любит» воду) и гидрофобный «хвостик» из жирных кислот (он «боится» воды).
В водной среде эти молекулы автоматически выстраиваются так, чтобы минимизировать контакт гидрофобных хвостиков с водой. В результате молекулы самоорганизуются в двухслойные структуры, где головки смотрят наружу (в воду), а хвостики прячутся внутри (друг к другу). Возникает бислой, который и является основой мембраны (реальные мембраны устроены похожим образом). Это не требует никаких сложных механизмов или ферментов — это термодинамически выгодный физический процесс. Молекулы «хотят» принять такую конфигурацию по законам физики. Эти бислои могут замыкаться в везикулы (пузырьки), создавая замкнутые мембранные структуры — это есть примитивные «клетки».
При отсутствии топлива мембраны разрушаются, возвращаясь к исходным компонентам. Если добавить топливо, цикл начинается заново.
Мембрана реальной клетки гораздо сложнее, но в ее основе лежит тот же самый принцип формирования бислоя: головки наружу — хвостики внутрь.
Такая динамическая система имитирует способность живых клеток к самообновлению и адаптации. Исследователи планируют постепенно усложнять свою модель, добавляя новые уровни организации до создания полнофункциональной примитивной клетки.
Кроме важности для исследования зарождения жизни, синтетические клетки могут найти практическое применение. Они могут доставлять лекарства, очищать окружающую среду, их можно использовать для создания биосенсоров. Хотя широкое внедрение таких технологий ожидается через 10-20 лет, фундаментальные исследования уже сегодня закладывают основу для будущих прорывов в понимании происхождения жизни на Земле т практического использования синтетических клеток, а, возможно, и синтетических организмов.