Большинство экспериментальных исследований по изучению возникновения первых живых систем посвящены возможности молекул, таких как РНК, самовоспроизводиться. Однако, не менее важны исследования возникновения клетки как структуры, изолированной от окружающей среды двухслойной липидной мембраной. Недавно Паскаль Стано из Университета Рима и его итальянские и немецкие коллеги опубликовали любопытные результаты на эту тему.

Мы попросили химика, выпускника факультета естественных наук НГУ и нашего давнишнего друга, профессора Университета Центральной Флориды  Дмитрия Колпащикова прокомментировать эту публикацию. Как влияет такое «отгораживание» на основные метаболические пути протоклеток?

— В данной работе исследовалась сложная композиция состоящая из 83 компонентов, которая способна синтезировать белок (внеклеточная траскрипционно-трансляционная (Тс—Тр) система). Присутствовали следующие компоненты: ДНК матрица, РНК-полимераза, рибосомы, тРНК, аминоацил–тРНК-синтетазы, транскрипционные факторы, а также аминокислоты и нуклеотиды, в общем всё необходимое для синтеза белка из мономеров. ДНК-матрица кодировала зелёный флюоресцентный белок, который удобно наблюдать с помощью флюоресцентной микроскопии.

Тс—Тр система разбавлялась примерно в 2 раза. В этом состоянии она была неспособна синтезировать белок, так как компоненты системы плохо взаимодействовали друг с другом. В раствор вводился липид, способный формировать липосомы. Липосомы — это микропузырьки, стенки которых состоят из двуслойных мембран; они выступали в роли модели клеточной мембраны. Липосомы могли захватить вовнутрь компоненты Тс-Тр системы и, возможно, активировать её, то есть ускорить синтез зелёного флюоресцентного белка. Так и произошло. 95,5% всех липосом, а так же раствор вне липосом были неспособны к синтезу белка. Но 0.5 % самых объёмных липосом (диаметром 0,7—2 мкм) могли синтезировать белок!

Такой значительный процент функциональных липосом невозможно объяснить просто статистической вероятностью. Вероятность, что все 83 компонента окажутся внутри одной липосомы слишком мала. Кроме того, для активации Тс—Тр системы необходима концентрация компонентов, что, по-видимому, и происходило спонтанно внутри липосомы.

Таким образом, это эксперимент продемонстрировал, что биологические молекулы концентрируются внутри новообразованных липосом и восстанавливают биологическую активность Тс—Тр системы. Авторы статьи предположили, что в этом и состояла одна из нескольких ключевых ролей первых клеточных систем. Возможный механизм концентрации — это удаление воды из липосом и высвобождение её вне липосом в свободном виде (несвязанном с биологическими молекулами), что является энергетически выгодным.

Публикация: Stano, P.; D’Aguanno, E.; Bolz, J.; Fahr, A.; Luisi, P. L. « A remarkable self-organization process as the origin of primitive functional cells.» Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.201306613