Могло ли решение загадки о происхождении жизни все это время скрываться внутри ваших клеток?
Они находятся в вас прямо сейчас.
Маленькие точки. Загадочные пятнышка, плавающие в ядре клетки. Чтобы заметить их, нужен микроскоп, и даже тогда за ними трудно уследить. Некоторые сидят неподвижно. Другие дрейфуют, словно захваченные тихим, невидимым течением.
Они выглядят твердыми. На самом деле они жидкие.
Мы узнали об existence этих капель только в 2009 году. С тех пор мы узнали о них очень много. Они делают так многое для нас. Когда они дают сбой, последствия часто катастрофичны. Те липкие капли в мозге могут даже стоять за болезнью Альцгеймера. Они крошечные, да. Но без них вы бы умерли.
Некоторые исследователи полагают, что эти капли объясняют, как вообще зародилась жизнь на Земле. Если это подтвердится, то каждый раз, когда ваши клетки делятся, они запускают программное обеспечение, созданное в первые несколько миллиардов лет истории планеты.
Коацерваты или конденсаты?
В зависимости от того, кого вы спросите, эти точки называют коацерватами или конденсатами. Или биомолекулярными конденсатами. Названия не совсем идентичны, но разница между ними терминологическая. Если это в пробирке — это коацерват. Внутри живой клетки? Это конденсат.
«По сути, они одинаковы» — Эван Шпруйт, Университет Радбауда
Еще в конце 1800-х и начале 1900-х годов ученые любили вещи, которые не были ни твердыми, ни жидкими. Гели. Жидкие кристаллы. Коацервация подходила под описание. Они жидкие, конечно. Но они удерживаются вместе с упорством, обычно свойственным твердым телам.
Хендрик Бунгенберг де Йонг и химик Юго Круйт назвали их в 1929 году. Они изучали явления разделения фаз (неперемешивания). Когда две жидкости смешиваются, а затем разделяются.
Масло и вода — очевидный пример. Вы взболтайте их, они смешаются. Оставьте постоять — они разделятся. Сначала образуются крошечные капли. Затем тяжелый слой.
Коацервация более тонкая. Длинноцепочечные молекулы, такие как белки или жиры в воде, собираются в сферы. Они остаются круглыми, потому что сохраняют текучесть. В отличие от масла в воде, которое состоит на 100% из масла, эти капли захватывают воду внутрь себя.
Главная хитрость заключается в отсутствии структуры. Живые клетки имеют аккуратные двойные липидные мембраны. Точные. Упорядоченные.
У коацерватов ничего подобного нет. Биофизик Дора Танг сравнивает их с переваренной спагетти. Перепутанные и слипшиеся нити. Поверхность есть, конечно — место, где капля отталкивает воду. Но нет кожицы. Нет истинной стенки.
Старая «призрачная» теория
Сто лет назад Александр Опарин выдвинул идею.
Он был в СССР. Работал вместе с биологом Д. Б. С. Холдейном (в оригинале упомянут J.B.S., скорее всего, имеется в виду Холдейн, но в тексте опечатка или сокращение, однако контекст указывает на соавторство или параллельные работы, в книге Опарина 1936 года он излагает свою теорию). В своей книге 1936 года «Происхождение жизни на Земле» Опарин посмотрел на новую, молодую планету. Он представил себе ранние океаны. Химические вещества, смешанные с минеральными фрагментами. Хаос.
Гигантская, хаотичная химическая фабрика.
По мере того как более простые соединения связывались в сложные — белки, нуклеиновые кислоты — бульон густел. Некоторые молекулы отделялись от смеси. Они образовывали капли.
Опарин утверждал, что эти коацерваты были предками клеток. Грубые, нестабильные, но функциональные. Первые черновики жизни.
Затем биология пошла по другому пути.
Никто не нашел этих капель в современных организмах. Логика казалась верной: если мы не используем их сегодня, зачем предполагать, что древняя Земля использовала их для начала жизни?
Молекулярная революция 1950-х годов изменила всё остальое. Исследователи зациклились на ДНК. На РНК. Гипотеза «мира РНК» предполагала, что первые формы жизни представляли собой просто генетический код, плавающий в растворе. Белки не требовались. Капель не требовалось.
Мембраны тоже получили свой шанс. Везикулы — крошечные липидные мешочки — казались лучшими кандидатами на роль первых клеток. Коацервация стала исторической сноской. Любопытством.
Возвращение
Это изменилось в 2009 году.
Энтони Хайман из Института Макса Планка изучал P-гранулы. Частицы внутри клеток, связанные с половым размножением. Все считали, что они твердые. Гранулы.
Хайман доказал, что они ведут себя как жидкость.
Два года спустя другие лаборатории нашли больше. Десятки белков образовывали жидкие капли внутри клеток. Эти конденсаты не редкость. Они повсюду.
Возьмите ядрышко в вашем ядре. Эта плотная скопление — не твердая машинерия. Это плотная упаковка коацерватов, производящих рибосомы.
Это важно, потому что «плохие» капли вызывают реальные заболевания.
Пересаженные сердца часто отторгаются из-за них. Когда органы охлаждаются во время транспортировки, белки образуют капли. Эти капли активируют рецепторы стресса. Клетки умирают. Воспаление усиливается. В прошлом году исследование показало, что простое лекарство, блокирующее эти коацерваты, сохраняло здоровье сердец дольше.
Движущие силы заболеваний
Раньше мы думали, что коацерваты пассивны. Это неверно.
Они влияют на рак. Они помогают включать гены, способствующие развитию опухолей. Они определяют, сработает ли противоопухолевое лекарство или нет.
А связь с болезнью Альцгеймера? Она продолжает расти. Белки амилоида и тау-белка сгущаются в мозге, образуя бляшки, связанные с симптомами деменции. Исследования теперь предполагают, что белки амилоида сначала формируют коацерваты. Жидкое состояние приводит к образованию твердых, смертельных сгустков.
Этот взрыв данных о здоровье возродил старый вопрос: могут ли эти капли также быть ответом на вопрос о нашем начале?
Действительно ли они образуются самостоятельно?
Какие биологические молекулы могут собираться таким образом?
Простая химия древности
«Мы обнаружили, что это тривиально просто» — Клаудия Бонфио, Кембридж
Изготовление везикул требует усилий. Трудоемкой химии. Мембраны сложны.
Изготовление коацерватов? Просто.
Ловушка была в масштабе. Длинные цепи — белки, крупные нуклеиновые кислоты — легко формируют такие капли. Но ранняя Земля? Вероятно, состояла из коротких, фрагментированных, простых цепей.
Так мы думали.
В 2021 году Эван Шпруйт создал миниатюрный белок. Всего из четырех аминокислот. Он все равно легко образовывал коацерваты.
Затем он использовал крошечный пептид, олигоаргинин. Он объединялся почти с любой маленькой молекулой для создания капли.
Итак, даже с примитивным бульоном, доступным тогда — простыми, фрагментированными цепями — строительные блоки имели встроенный механизм самосборки. Это происходило быстро. Вероятно, сразу же после того, как молекулы начали соединяться.
От капель к телам
Ладно. У нас есть пустая оболочка. Что теперь?
Вернемся к Опарину. Вернемся к 1920 году. Смысл компартмента — концентрация.
Снаружи химические вещества разбавляются в vast океанах. Внутри? Плотность. Теснота. Соседи постоянно сталкиваются. Это заставляет происходить реакции, которые никогда бы не произошли в открытом бульоне. Разные коацерваты притягивают разные молекулы. Среда меняется. Сложность растет. За сложностью следует жизнь.
Это происходит сегодня в наших телах.
Соединения железа, такие как феррицианид — правдоподобные в ранних океанах, — могут заставлять аминокислоты объединяться. Они сшивают строительные блоки в цепочки белков.
Скорость работы ферментов увеличивается в три раза, когда они переходят из общей воды в коацерваты. Прошедшей весной исследователи проанализировали данные и назвали их «активными участниками», а не «пассивными коробками».
Химия работает. Ловушка? Мы все еще не понимаем правил.
Некоторые молекулы устремляются внутрь. Некоторые игнорируются. Коацерваты иногда ускоряют реакции. В другое время вязкая внутренность замедляет молекулы до ползания. Происходят тупики. Бекховен называет физику хаотичной. Все вразнобой.
Имитация эволюции
Исследователи хотят увидеть больше. Полные системы. Гены. Метаболизм. Не просто случайное сгущение.
Дора Танг поместила некоторые РНК внутрь белковых капель. РНК накапливалась. Она смешала РНК с белками и увидела, что ферменты продолжают работать. Функциональный генетический материал, хранящийся внутри.
Клаудия Бонфио пытается применить тот же трюк. Может ли одна молекула построить «дом» и служить «библиотекой» внутри этого дома?
Скорее всего, пока нет. Система может хранить код, конечно. Она не обязательно реплицирует код.
Но могут ли они делиться? Это более крупная задача.
Реальные клетки питаются и делятся. Коацерваты не могут.
Или могут? Теоретическая статья 2016 года сказала, что могут, если им дать внешнюю энергию.
«Я люблю строить».
Йоб Бекховен прочитал эту статью и начал конструировать. Четыре года спустя его команда доказала, что математика реальна. Он кормил их химикатами (ЭДК). Они росли. Убрать еду? Они умирали. По мере того как они увядали, они разбивались. Как материнские клетки, порождающие дочерние.
Шпруйт наблюдал рост за счет углеродного топлива. Танг видела, как нагретые поры в камне заставляют капли разделяться и образовывать внутренние слои. Даже истинные мембраны могут выталкивать себя внутрь.
