Ученые воссоздали ключевой этап зарождения жизни — они выяснили, как живые клетки возникли из неживой материи

Сегодня исследователи в стремлении раскрыть тайны первоначального зарождения жизни на нашей планете создают синтетические клетки, которые ведут себя как настоящие биологические клетки. Хотя общепринятого определения жизни не существует, ученые обычно выделяют три ключевые особенности, присущие всем живым системам:

• Компартментализация, которая создает границу между внутренней средой клетки и внешним миром.

• Метаболизм – химические процессы, в ходе которых молекулы синтезируются и разрушаются для поддержания клеточной активности.

• Отбор, при котором некоторые молекулы имеют естественное предпочтение перед другими из-за их свойств или эффективности.

Исторически значительная часть исследований в этой области была сосредоточена на понимании компартментализации. Однако метаболизм не менее важен. Он позволяет живым системам адаптироваться, размножаться и эволюционировать, непрерывно перерабатывая молекулы в ответ на изменения окружающей среды.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали систему, которая синтезирует клеточные мембраны и включает в себя метаболическую активность. Их работа опубликована в журнале Nature Chemistry. Клетки, лишенные метаболической сети, «застывают» — они не способны перестраиваться, расти или делиться. Но может ли метаболизм происходить в очень простых химических системах до того, как произошла эволюция более сложных биологических систем?

Липиды – это жирные соединения, играющие ключевую роль во многих клеточных функциях. В живых клетках липидные мембраны служат барьерами, отделяющими клетки от внешней среды. Липидные мембраны динамичны и способны перестраиваться в ответ на потребности клетки.

Важнейшим шагом в понимании эволюции живых клеток стало создание в лаборатории Девараджа системы, в которой липиды могут не только формировать мембраны, но и разрушать их посредством метаболизма. Созданная система была абиотической, то есть использовала только неживую материю. Это важно для понимания того, как возникла жизнь на добиологической Земле, когда существовала только неживая материя.

Ученые попытались ответить на фундаментальный вопрос: какие минимальные системы обладают свойствами жизни? Созданный в рамках исследования химический цикл использует химическое топливо для активации жирных кислот. Затем жирные кислоты соединяются с лизофосфолипидами, образуя фосфолипиды. Эти фосфолипиды спонтанно образуют мембраны, но при отсутствии топлива они распадаются и превращаются в жирные кислоты и лизофосфолипиды. Цикл начинается заново.

Теперь, когда удалось продемонстрировать возможность создания искусственной клеточной мембраны, авторы исследования хотят добавлять уровни сложности, пока не создадут нечто, обладающее гораздо большим количеством свойств, которые мы ассоциируем с «жизнью». Нам многое известно о живых клетках и о том, из чего они состоят. Но если разложить все отдельные компоненты, будет непонятно, как их соединить, чтобы клетка функционировала так, как она функционирует. Потому авторы работы пытаются воссоздать примитивную, но функциональную клетку, слой за слоем.

Помимо прояснения того, как могла зародиться жизнь в абиотической среде, разработка искусственных клеток может оказать реальное влияние на окружающий мир. Доставка лекарств, биопроизводство, восстановление окружающей среды, биомиметические датчики — все это станет возможным в ближайшие десятилетия, если станет понятнее, как возникла жизнь на Земле.