Het leven op aarde ontstond ongeveer 4 miljard jaar geleden toen de eerste cellen zich vormden in een oersoep van complexe, koolstofrijke chemische verbindingen.

Deze cellen stonden voor een chemisch raadsel. Ze hadden bepaalde ionen uit de soep nodig om basisfuncties uit te voeren. Maar die geladen ionen zouden de eenvoudige membranen die de cellen inkapselden hebben verstoord.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Washington heeft deze puzzel opgelost met alleen moleculen die op de vroege aarde aanwezig zouden zijn geweest. Met behulp van celgrootte, met vloeistof gevulde compartimenten omgeven door membranen gemaakt van vetzuurmoleculen, ontdekte het team dat aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, kan membranen stabiliseren tegen magnesiumionen. Hun resultaten vormden het toneel voor de eerste cellen die hun genetische informatie in RNA codeerden, een molecuul gerelateerd aan DNA dat magnesium nodig heeft voor de productie ervan, terwijl de stabiliteit van het membraan behouden blijft.

De bevindingen, gepubliceerd in de week van 12 aug. in de Proceedings van de National Academy of Sciences , gaan verder dan uitleggen hoe aminozuren membranen kunnen hebben gestabiliseerd in ongunstige omgevingen. Ze laten ook zien hoe de afzonderlijke bouwstenen van celstructuren - membranen, eiwitten en RNA - zouden zich kunnen hebben gelokaliseerd in waterige omgevingen op de oude aarde.

"Cellen zijn opgebouwd uit heel verschillende soorten structuren met totaal verschillende soorten bouwstenen, en het is nooit duidelijk geweest waarom ze op een functionele manier zouden samenkomen, " zei co-corresponderende auteur Roy Black, een UW-filiaalhoogleraar chemie en bio-engineering. "De veronderstelling was gewoon dat - op de een of andere manier - ze bij elkaar kwamen."

Black kwam naar de UW na een carrière bij Amgen voor de mogelijkheid om de cruciale, ontbrekende details achter dat "op de een of andere manier". Hij werkte samen met Sarah Keller, een UW hoogleraar scheikunde en een expert op het gebied van membranen. Black was geïnspireerd door de observatie dat vetzuurmoleculen zichzelf kunnen assembleren om membranen te vormen, en veronderstelde dat deze membranen zouden kunnen fungeren als een gunstig oppervlak om de bouwstenen van RNA en eiwitten te assembleren.

"Je kunt je verschillende soorten moleculen voorstellen die in de oersoep bewegen als pluizige tennisballen en harde squashballen die rondstuiteren in een grote doos die wordt geschud, " zei Keller, die ook co-corresponderende auteur op het papier is. "Als je een oppervlak in de doos bekleedt met klittenband, dan blijven alleen de tennisballen aan dat oppervlak plakken, en ze zullen dicht bij elkaar eindigen. Roy had het inzicht dat lokale concentraties van moleculen kunnen worden verhoogd door een soortgelijk mechanisme."

Het team toonde eerder aan dat de bouwstenen van RNA zich bij voorkeur hechten aan vetzuurmembranen en, verrassend genoeg, stabiliseren ook de kwetsbare membranen tegen de schadelijke effecten van zout, een veel voorkomende verbinding op aarde, vroeger en nu.

Het team veronderstelde dat aminozuren ook membranen zouden kunnen stabiliseren. Ze gebruikten verschillende experimentele technieken, waaronder lichtmicroscopie, elektronenmicroscopie en spectroscopie - om te testen hoe 10 verschillende aminozuren interageren met membranen. Hun experimenten onthulden dat bepaalde aminozuren aan membranen binden en ze stabiliseren. Sommige aminozuren veroorzaakten zelfs grote structurele veranderingen in membranen, zoals het vormen van concentrische bollen van membranen - net als lagen van een ui.

"Aminozuren beschermden niet alleen blaasjes tegen verstoring door magnesiumionen, maar ze creëerden ook meerlagige blaasjes, zoals geneste membranen, " zei hoofdauteur Caitlin Cornell, een UW-promovendus bij de afdeling Scheikunde.

De onderzoekers ontdekten ook dat aminozuren membranen stabiliseerden door concentratieveranderingen. Sommige wetenschappers hebben de hypothese geopperd dat de eerste cellen zich hebben gevormd in ondiepe bassins die door cycli van hoge en lage concentraties aminozuren gingen toen water verdampte en nieuw water naar binnen spoelde.

De nieuwe bevindingen dat aminozuren membranen beschermen - evenals eerdere resultaten die aantonen dat RNA-bouwstenen een vergelijkbare rol kunnen spelen - geven aan dat membranen mogelijk een plaats zijn geweest voor deze voorlopermoleculen om samen te lokaliseren, een potentieel mechanisme bieden om uit te leggen wat de ingrediënten voor het leven samenbracht.

Keller, Black en hun team zullen hun aandacht richten op hoe co-gelokaliseerde bouwstenen iets opmerkelijks deden:ze bonden aan elkaar om functionele machines te vormen.

“Dat is de volgende stap, ' zei Zwart.

Hun voortdurende inspanningen smeden ook banden tussen disciplines bij de UW.

"De Universiteit van Washington is een buitengewoon goede plek om ontdekkingen te doen vanwege het enthousiasme van de wetenschappelijke gemeenschap om samen te werken om apparatuur en ideeën te delen tussen afdelingen en velden, " zei Keller. "Onze samenwerkingen met het Drobny Lab en het Lee Lab waren essentieel. Geen enkel laboratorium had het allemaal kunnen doen."