ELSI科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了可能有助于解釋細(xì)胞生命起源的新化學(xué)

在地球生命開(kāi)始之前，環(huán)境中可能含有大量的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)或多或少是隨機(jī)相互作用的。目前，還不清楚像細(xì)胞這樣復(fù)雜的物質(zhì)是如何從這種化學(xué)混亂中出現(xiàn)的。

現(xiàn)在，由東京工業(yè)大學(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)的托尼賈(Tony Z. Jia)和馬來(lái)西亞國(guó)立大學(xué)的庫(kù)漢錢(qián)德魯(Kuhan Chandru)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了簡(jiǎn)單的-羥基酸，如乙醇酸和乳酸。(常用于商店買(mǎi)來(lái)的面團(tuán))，中溫干燥后，自發(fā)聚合自組裝成聚酯液滴，然后在原來(lái)的沙灘和河岸或干水坑中再水化。它們形成了一個(gè)新的細(xì)胞樣隔室，可以捕獲和濃縮生物分子，如核酸和蛋白質(zhì)。與大多數(shù)現(xiàn)代細(xì)胞不同，這些液滴可以很容易地融合和轉(zhuǎn)化，因此它們可以適應(yīng)多功能的早期遺傳和代謝系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)生命的起源可能至關(guān)重要。

來(lái)自世界各地的科學(xué)家正在積極努力，以了解生命的起源。地球上所有的現(xiàn)代生命，從細(xì)菌到人類，都是由細(xì)胞組成的。細(xì)胞由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸組成。脂質(zhì)形成細(xì)胞膜，外殼將其他成分保持在一起，并與環(huán)境接觸，交換食物和廢物。這些分子如何像最初形成的細(xì)胞一樣復(fù)雜仍然是個(gè)謎。

大多數(shù)生命研究的起源集中在當(dāng)代生命中存在的分子和結(jié)構(gòu)是如何由環(huán)境產(chǎn)生，然后組裝成導(dǎo)致第一個(gè)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。然而，在地球早期，可能有許多其他類型的分子與生物分子一起形成，有可能生命開(kāi)始使用與現(xiàn)代生物分子無(wú)關(guān)的非常簡(jiǎn)單的化學(xué)，然后通過(guò)越來(lái)越復(fù)雜的階段進(jìn)化，產(chǎn)生現(xiàn)代細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

先前在ELSI的研究表明，隕石中發(fā)現(xiàn)的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物(稱為-羥基酸)在中溫干燥和許多仿生化學(xué)模擬后會(huì)自發(fā)聚合成聚酯混合物。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，賈和她的同事們進(jìn)行了下一步，并在顯微鏡下檢查了這些反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)這些混合聚酯體系在再潤(rùn)濕時(shí)形成凝膠相并自發(fā)自組裝形成簡(jiǎn)單的胞狀結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)工作最具挑戰(zhàn)性的方面是設(shè)計(jì)新的方法來(lái)表征液滴的特性和功能，因?yàn)橐郧皼](méi)有人分析過(guò)這個(gè)系統(tǒng)。賈指出，該團(tuán)隊(duì)有幸擁有多元化的多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，包括化學(xué)家、生物化學(xué)家、材料科學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家。在確定了它們的組成并顯示出它們的自組裝趨勢(shì)后，下一個(gè)問(wèn)題是這些細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)是否能制造化學(xué)上有用的東西?，F(xiàn)代細(xì)胞膜執(zhí)行許多關(guān)鍵功能，有助于維持細(xì)胞；例如，將大分子和代謝物保持在一個(gè)地方并提供恒定的內(nèi)部環(huán)境可能與細(xì)胞外環(huán)境有很大不同。

然后，他們測(cè)試了這些結(jié)構(gòu)從環(huán)境中分離分子的能力，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诤艽蟪潭壬戏e累了大量的染料分子。然后他們表明，這些液滴還可以攜帶RNA和蛋白質(zhì)分子，并且仍然使它們具有功能性催化作用。此外，研究小組表明，液滴可以幫助在其表面形成脂質(zhì)層，這表明它們可能有助于支架原型細(xì)胞的形成。

賈和他的同事不確定這些結(jié)構(gòu)是細(xì)胞的直接祖先，但他們認(rèn)為這種液滴可能使地球上的原始細(xì)胞聚集成為可能。他們發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)的新區(qū)域化系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，在整個(gè)宇宙的原始環(huán)境中很容易形成。賈說(shuō)：“這使我們能夠想象早期地球上的非生物系統(tǒng)，這仍然有助于地球上生命的起源。這表明可能還有許多其他非生物系統(tǒng)應(yīng)該成為未來(lái)研究的目標(biāo)。這種類型?！彼J(rèn)為，開(kāi)發(fā)這些或類似的模型系統(tǒng)可以更好地研究代表原始行星上可能發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的各種化學(xué)系統(tǒng)的演化。

“早期的地球在化學(xué)上一定是一個(gè)混亂的地方，”賈解釋道?！巴ǔ?，大多數(shù)生命起源研究都集中在相對(duì)“干凈”條件下的現(xiàn)代生物分子。也許重要的是，把這些“混亂”的混合物，看看是否有有趣的功能或結(jié)構(gòu)，可以自發(fā)產(chǎn)生?！弊髡攥F(xiàn)在認(rèn)為，通過(guò)系統(tǒng)地增加這些系統(tǒng)的化學(xué)復(fù)雜性，他們將能夠觀察它們?nèi)绾坞S著時(shí)間的推移而發(fā)展，并可能發(fā)現(xiàn)不同的和新出現(xiàn)的特性。

“我們現(xiàn)在可以使用這個(gè)新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這樣我們就可以開(kāi)始研究這些液滴的演化和演化現(xiàn)象。這些液滴可能具有的結(jié)構(gòu)或功能的可能組合幾乎是無(wú)窮無(wú)盡的。如果控制液滴形成的物理規(guī)則在自然界中相當(dāng)普遍，那么我們希望研究類似的系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)它們是否也能形成具有新特征的液滴，”賈補(bǔ)充道。

最后，盡管該團(tuán)隊(duì)目前專注于了解生命的起源，但他們指出，這項(xiàng)基礎(chǔ)研究可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如藥物輸送和個(gè)性化醫(yī)療?！斑@只是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明當(dāng)來(lái)自世界各地的不同科學(xué)家團(tuán)隊(duì)聚集在一起，試圖理解新的有趣的現(xiàn)象時(shí)，項(xiàng)目可以以意想不到的方式發(fā)展，”ELSI團(tuán)隊(duì)成員吉姆克里維斯說(shuō)。

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