Voordat het leven op aarde begon, de omgeving bevatte waarschijnlijk een enorm aantal chemicaliën die min of meer willekeurig met elkaar reageerden, en het is onduidelijk hoe de complexiteit van cellen uit zo'n chemische chaos is voortgekomen. Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Tony Z. Jia van het Tokyo Institute of Technology en Kuhan Chandru van de National University of Malaysia heeft aangetoond dat eenvoudige α-hydroxyzuren, zoals glycolzuur en melkzuur, spontaan polymeriseren en zelf-assembleren tot polyester microdruppeltjes wanneer gedroogd bij gematigde temperaturen gevolgd door rehydratatie. Dit kan zijn wat er gebeurde langs primitieve stranden en rivieroevers, of in opdrogende plassen. Deze vormen een nieuw type celachtig compartiment dat biomoleculen zoals nucleïnezuren en eiwitten kan vangen en concentreren. Deze druppeltjes, in tegenstelling tot de meeste moderne cellen, gemakkelijk kunnen fuseren en hervormen, en zou dus veelzijdige vroege genetische en metabole systemen kunnen hebben gehuisvest die mogelijk cruciaal zijn voor het ontstaan ​​van het leven.

Al het leven op aarde bestaat uit cellen. Cellen bestaan ​​uit lipiden, eiwitten en nucleïnezuren, waarbij het lipide het celmembraan vormt, een behuizing die de andere componenten bij elkaar houdt en een interface vormt met de omgeving, uitwisseling van voedsel en afval. Hoe moleculaire assemblages zo complex zijn als oorspronkelijk gevormde cellen, blijft een mysterie.

Het meeste onderzoek naar de oorsprong van het leven richt zich op hoe de moleculen en structuren van het leven werden geproduceerd door de omgeving, en vervolgens samengevoegd tot structuren die naar de eerste cellen leidden. Echter, er waren waarschijnlijk veel andere soorten moleculen die zich naast biomoleculen op de vroege aarde vormden, en het is mogelijk dat het leven begon met het gebruik van zeer eenvoudige chemie die niets te maken had met moderne biomoleculen, vervolgens geëvolueerd door steeds complexere stadia om aanleiding te geven tot de structuren die in moderne cellen worden gevonden.

Eerder werk uitgevoerd bij ELSI toonde aan dat droging bij gematigde temperatuur van de eenvoudige organische verbindingen die bekend staan ​​als alfa-hydroxyzuren, die worden gevonden in meteorieten en veel simulaties van prebiologische chemie, polymeriseert ze spontaan tot mengsels van lange polyesters. Voortbouwend op dit werk, Jia en collega's namen de volgende stap en onderzochten deze reacties onder de microscoop, en ontdekte dat deze gemengde polyestersystemen een gelfase vormen en spontaan zelf-assembleren wanneer ze opnieuw bevochtigd worden om eenvoudige celachtige structuren te vormen.

Het meest uitdagende aspect van dit werk was het bedenken van nieuwe methoden om de eigenschappen en functies van de druppeltjes te karakteriseren, aangezien niemand dergelijke systemen eerder had geanalyseerd. Jia merkte op dat het team het geluk had om zo'n diversiteit aan multidisciplinaire expertise te hebben, inclusief chemici, biochemici, materiaalwetenschappers en geologen. Na het bepalen van hun samenstelling en het tonen van hun neiging om zichzelf te assembleren, de volgende vraag was of deze celachtige structuren misschien iets chemisch nuttigs zouden kunnen doen. Moderne celmembranen vervullen veel cruciale functies die helpen de cel in stand te houden, bijvoorbeeld, het vasthouden van macromoleculen en metabolieten op één plaats, evenals het bieden van een constante interne omgeving, die heel anders kan zijn dan die buiten de cel. Ze maten eerst hoe stabiel deze structuren waren en ontdekten dat ze zeer lang konden blijven bestaan, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. maar het kan ook worden gemaakt om te fuseren en samen te smelten.

Ze testten vervolgens het vermogen van deze structuren om moleculen uit de omgeving te sequestreren en ontdekten dat ze in opmerkelijke mate grote kleurstofmoleculen accumuleerden. Ze toonden vervolgens aan dat deze druppeltjes ook RNA- en eiwitmoleculen konden bevatten en dat ze nog steeds functioneel katalytisch konden zijn. Verder, het team toonde aan dat de druppeltjes kunnen helpen bij de vorming van een lipidelaag op hun oppervlak, wat suggereert dat ze hadden kunnen helpen bij de vorming van protocellen.

Jia en collega's zijn er niet zeker van dat deze structuren de directe voorouders van cellen zijn, maar ze denken dat het mogelijk is dat dergelijke druppeltjes de assemblage van protocellen op aarde mogelijk hebben gemaakt. Het nieuwe compartimenteringsysteem dat ze hebben gevonden is uiterst eenvoudig, zij merken op, en zou zich gemakkelijk kunnen vormen in primitieve omgevingen in het hele universum. zegt Jia, "Dit stelt ons in staat om ons niet-biologische systemen op de vroege aarde voor te stellen die nog steeds een rol hadden kunnen spelen in de oorsprong van het leven. Dit suggereert dat er mogelijk veel andere niet-biologische systemen zijn die het doelwit zouden moeten zijn van toekomstig onderzoek van dit type." Hij denkt dat de ontwikkeling van deze of soortgelijke modelsystemen een betere studie mogelijk zou kunnen maken van de evolutie van diverse chemische systemen die representatief zijn voor de complexe chemie die waarschijnlijk wordt aangetroffen op primitieve planetaire lichamen.

"De vroege aarde was chemisch zeker een rommelige plek, " legt Jia uit, "en vaak, de meeste onderzoeken naar de oorsprong van het leven richten zich op moderne biomoleculen onder relatief 'schone' omstandigheden. Misschien is het belangrijk om deze 'rommelige' mengsels te nemen en te kijken of er spontaan interessante functies of structuren uit kunnen ontstaan." De auteurs denken nu dat door de chemische complexiteit van dergelijke systemen systematisch te vergroten, ze zullen in staat zijn om te observeren hoe ze in de loop van de tijd evolueren en mogelijk divergerende en opkomende eigenschappen ontdekken.

"We hebben dit nieuwe experimentele systeem waarmee we nu kunnen spelen, zodat we fenomenen zoals evolutie en evolueerbaarheid van deze druppeltjes kunnen gaan bestuderen. De mogelijke combinaties van structuren of functies die deze druppeltjes kunnen hebben, zijn bijna eindeloos. Als de fysieke regels die de vorming van druppeltjes beheersen vrij universeel van aard zijn, dan hopen we soortgelijke systemen te bestuderen om te ontdekken of ze ook microdruppeltjes met nieuwe eigenschappen kunnen vormen, ’ voegt Jia toe.

Eindelijk, terwijl het team zich momenteel richt op het begrijpen van de oorsprong van het leven, ze merken op dat dit basisonderzoek ook op andere gebieden kan worden toegepast, bijvoorbeeld, medicijnafgifte en gepersonaliseerde geneeskunde. "Dit is slechts een prachtig voorbeeld van de onverwachte manieren waarop projecten zich kunnen ontwikkelen wanneer een team van diverse wetenschappers van over de hele wereld samenkomt om nieuwe en interessante fenomenen te proberen te begrijpen, " zei teamlid Jim Cleaves, ook van ELSI.