Πειράματα αποκαλύπτουν ότι οι ακόρεστες λιπιδικές μεμβράνες προάγουν τη σύντηξη κυστιδίων και τη συγκράτηση του DNA κατά τη διάρκεια κύκλων ψύξης-απόψυξης, αναδεικνύοντας τα παγωμένα περιβάλλοντα ως πιθανούς καταλύτες για την εξέλιξη των πρωτοκυττάρων.
Τα σημερινά κύτταρα είναι εξαιρετικά περίπλοκα. Περιέχουν έναν εσωτερικό σκελετό, γνωστό ως κυτταροσκελετό, προσεκτικά ελεγχόμενες χημικές αντιδράσεις στο εσωτερικό και το εξωτερικό τους, καθώς και γενετικό υλικό που διέπει σχεδόν όλες τις πτυχές της συμπεριφοράς τους.
Αυτή η πολυπλοκότητα επιτρέπει στα κύτταρα να προσαρμόζονται σε πολλά περιβάλλοντα και να ανταγωνίζονται με επιτυχία με βάση τη βιολογική τους καταλληλότητα. Αντίθετα, οι πρώτες κυτταρικές δομές ήταν πιθανότατα πολύ απλούστερες, αποτελούμενες από μικρές λιπιδικές φυσαλίδες που παγίδευαν βασικά οργανικά μόρια.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα πρωτόγονα διαμερίσματα μεταβλήθηκαν σε πλήρως ανεπτυγμένα σύγχρονα κύτταρα παραμένει μία από τις κεντρικές προκλήσεις στην έρευνα για την προέλευση της ζωής.
Πώς αντιδρούν τα πρωτόγονα κύτταρα σε ρεαλιστικές συνθήκες
Σε μια νέα μελέτη, ερευνητές –συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων από το Ινστιτούτο Επιστήμης Γης-Ζωής (ELSI) του Ινστιτούτου Επιστήμης του Τόκιο– εξέτασαν πώς απλά μοντέλα πρωτοκυττάρων ανταποκρίνονται σε ρεαλιστικές συνθήκες μη-ισορροπίας, οι οποίες θεωρείται ότι προσομοιάζουν με εκείνες της πρώιμης Γης.
Αντί να προωθήσει μια μοναδική θεωρία για το πώς ξεκίνησε η ζωή, η ομάδα επικεντρώθηκε στον έλεγχο του πώς οι παραλλαγές στη χημεία των μεμβρανών επηρεάζουν την ανάπτυξη, τη σύντηξη και την ικανότητα συγκράτησης βιομορίων των πρωτοκυττάρων κατά τη διάρκεια κύκλων ψύξης-απόψυξης.
Οι επιστήμονες μελέτησαν πώς η σύσταση των λιπιδίων σε πρωτοκυτταρικές μεμβράνες επηρεάζει την ανάπτυξη και τη συμπεριφορά τους, δημιουργώντας μεγάλα μονοστρωματικά κυστίδια (LUVs) από φωσφολιπίδια POPC, PLPC και DOPC. Η διαφορά στον βαθμό κορεσμού αυτών των λιπιδίων είναι κρίσιμη για τη ρευστότητα και την ελαστικότητα της μεμβράνης, ιδιαίτερα σε χαμηλές θερμοκρασίες.
«Χρησιμοποιήσαμε τη φωσφατιδυλοχολίνη (PC) ως συστατικό των μεμβρανών, λόγω της χημικής δομικής συνέχειάς της με τα σύγχρονα κύτταρα, της πιθανής διαθεσιμότητάς της υπό προβιοτικές συνθήκες και της ικανότητάς της να συγκρατεί απαραίτητα περιεχόμενα», δήλωσε ο Tatsuya Shinoda, διδακτορικός φοιτητής στο ELSI και επικεφαλής συγγραφέας.
Οι διαφορές των κυστιδίων
Αν και αυτά τα μόρια συνδέονται στενά μεταξύ τους, οι δομές τους διαφέρουν σε σημαντικά σημεία. Το POPC περιέχει μία ακόρεστη ακυλική αλυσίδα με έναν μόνο διπλό δεσμό. Το PLPC έχει επίσης μία ακόρεστη ακυλική αλυσίδα, αλλά περιλαμβάνει δύο διπλούς δεσμούς. Το DOPC διαθέτει δύο ακόρεστες ακυλικές αλυσίδες, η καθεμία με έναν διπλό δεσμό.
Αυτές οι λεπτές διαφορές επηρεάζουν τη συμπεριφορά της μεμβράνης. Το POPC τείνει να παράγει σχετικά δύσκαμπτες μεμβράνες, ενώ το PLPC και το DOPC δημιουργούν μεμβράνες που είναι πιο ρευστές.
Στη συνέχεια, η ομάδα εξέθεσε τα μεγάλα μονοστρωματικά κυστίδια (LUVs) σε επαναλαμβανόμενους κύκλους ψύξης/απόψυξης (F/T), προκειμένου να προσομοιώσει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που μπορεί να βίωναν τα πρώιμα πρωτοκύτταρα. Μετά από τρεις κύκλους F/T, τα κυστίδια που ήταν πλούσια σε POPC συσπειρώθηκαν σε πυκνά οργανωμένες ομάδες. Αντίθετα, τα κυστίδια που περιείχαν PLPC ή DOPC συντήχθηκαν σε πολύ μεγαλύτερα διαμερίσματα.
Η πιθανότητα σύντηξης και ανάπτυξης αυξανόταν καθώς αυξανόταν η αναλογία του PLPC. Συνολικά, τα λιπίδια με περισσότερους ακόρεστους δεσμούς ήταν πιο επιρρεπή στη σύντηξη και την επέκταση.
«Υπό τις πιέσεις του σχηματισμού κρυστάλλων πάγου, οι μεμβράνες μπορεί να γίνουν ασταθείς ή να κατακερματιστούν, απαιτώντας δομική αναδιοργάνωση κατά την απόψυξη. Η χαλαρά οργανωμένη πλευρική διάταξη, λόγω του υψηλότερου βαθμού ακορεστότητας, μπορεί να εκθέτει περισσότερες υδρόφοβες περιοχές κατά την ανακατασκευή της μεμβράνης, διευκολύνοντας τις αλληλεπιδράσεις με γειτονικά κυστίδια και καθιστώντας τη σύντηξη ενεργειακά ευνοϊκή», παρατήρησε η Natsumi Noda, ερευνήτρια στο ELSI.
Συγκράτηση DNA και μοριακή ανάμειξη σε παγωμένα περιβάλλοντα
Τα αποτελέσματα αυτά έχουν σημαντικές επιπτώσεις για την πρώιμη εξέλιξη. Όταν τα κυστίδια συντήκονται, τα μόρια που είναι παγιδευμένα στο εσωτερικό τους μπορούν να αναμειχθούν και ενδεχομένως να αντιδράσουν. Στο χημικά πλούσιο περιβάλλον της πρώιμης Γης, τέτοια γεγονότα συγχώνευσης μπορεί να έφεραν κοντά βασικά συστατικά που απαιτούνται για συστήματα που μοιάζουν όλο και περισσότερο με τη ζωή.
Για να ελέγξουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές συνέκριναν πόσο αποτελεσματικά συγκρατούσαν το DNA, τα κυστίδια από 100% POPC και 100% PLPC. Τα κυστίδια PLPC όχι μόνο παγίδευσαν περισσότερο DNA πριν από την επεξεργασία F/T (ψύξη-απόψυξη), αλλά κράτησαν επίσης περισσότερο DNA από τα κυστίδια POPC μετά από κάθε κύκλο ψύξης-απόψυξης.
Από τον πάγο στη ζωή: Πώς οι κύκλοι ψύξης-απόψυξης οδήγησαν στην εξέλιξη των πρώτων κυττάρων
Τα περισσότερα σενάρια για την προέλευση της ζωής επικεντρώνονται σε περιβάλλοντα όπως οι επιφάνειες της ξηράς που στεγνώνουν και υγραίνονται ξανά ή οι υδροθερμικές πηγές στον πυθμένα των ωκεανών. Αυτή η μελέτη υποδηλώνει ότι και οι παγωμένες περιοχές θα μπορούσαν επίσης να είναι σημαντικές. Στην πρώιμη Γη, οι κύκλοι ψύξης/απόψυξης πιθανότατα επαναλαμβάνονταν σε βάθος μεγάλων χρονικών περιόδων.
Καθώς σχηματιζόταν ο πάγος, ωθούσε τις διαλυμένες ουσίες έξω από τους αναπτυσσόμενους κρυστάλλους, συγκεντρώνοντας οργανικά μόρια και κυστίδια στο εναπομείναν υγρό. Οι μεμβράνες που αποτελούνται από περισσότερο ακόρεστα φωσφολιπίδια είναι λιγότερο πυκνά οργανωμένες, γεγονός που ευνοεί τη σύντηξη των κυστιδίων και την ανάμειξη του περιεχομένου τους.
Ταυτόχρονα, οι πολύ ρευστές μεμβράνες μπορεί να είναι ευάλωτες υπό την πίεση που προκαλείται από την ψύξη-απόψυξη, αυξάνοντας τον κίνδυνο διαρροής του εσωτερικού περιεχομένου. Αυτό δημιουργεί μια σχέση συμβιβασμού (trade-off) μεταξύ διαπερατότητας και σταθερότητας. Η σύσταση της μεμβράνης που αποδίδει καλύτερα εξαρτάται από τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες.
«Μια αναδρομική επιλογή των αναπτυσσόμενων κυστιδίων που προκαλούνται από την ψύξη/απόψυξη (F/T) μέσω διαδοχικών γενεών θα μπορούσε να επιτευχθεί με την ενσωμάτωση μηχανισμών διχοτόμησης, όπως η οσμωτική πίεση ή η μηχανική διάτμηση. Με την αύξηση της μοριακής πολυπλοκότητας, το ενδοκυστιδικό σύστημα —δηλαδή η κωδικοποιημένη από τα γονίδια λειτουργία— μπορεί τελικά να αναλάβει τον έλεγχο της καταλληλότητας (fitness) του πρωτοκυττάρου, οδηγώντας κατά συνέπεια στην ανάδυση ενός αρχέγονου κυττάρου ικανού για Δαρβινική εξέλιξη», καταλήγει ο Tomoaki Matsuura, καθηγητής στο ELSI και κύριος ερευνητής αυτής της μελέτης.