Om echt te begrijpen hoe het lichaam werkt en de menselijke gezondheid te verbeteren, onderzoekers moeten de bouwstenen van onze cellen uit elkaar halen. Maar terwijl wetenschappers grote doorbraken blijven maken in de celbiologie, een belangrijke vraag blijft hangen:hoe werden cellen oorspronkelijk miljarden jaren geleden gevormd?

Een nieuwe studie, onder leiding van Ramanarayanan Krishnamurthy, doctoraat, van Scripps-onderzoek, en Sheref Mansy, doctoraat, van de Universiteit van Trento, biedt een verklaring voor hoe 'protocellen' op de vroege aarde konden zijn ontstaan, uiteindelijk leidend tot de cellen die we vandaag kennen. Hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift Klein , suggereert dat moleculen die cyclofosfolipiden worden genoemd mogelijk het ingrediënt zijn geweest dat nodig is voor protocellen om belangrijke interne structuren te vormen die blaasjes worden genoemd, die waarschijnlijk het evolutionaire proces op gang heeft gebracht.

"Protocellen zouden tegenwoordig de voorouders van cellen zijn geweest, als je wil, " zegt Krishnamurthy, een universitair hoofddocent chemie bij Scripps Research. "Ze hadden niet de volledige functionaliteit van moderne cellen, maar ze hadden het voorlopergedrag om de basis te leggen voor wat daarna kwam."

Krishnamurthy is lid van de Simons Collaboration on the Origins of Life en heeft een gezamenlijke afspraak met het Center for Chemical Evolution, medegefinancierd door het NASA Astrobiology-programma en de National Science Foundation. Zoals velen in zijn vakgebied, Krishnamurthy is benieuwd hoe vroege blaasjes zouden hebben gewerkt.

Cellen wemelen tegenwoordig van verschillende moleculen en chemische reacties, maar protocellen zouden veel eenvoudiger zijn geweest, zoals blaasjes. Een kenmerk van deze blaasjes waren interne holle gebieden die lumen worden genoemd - ruimten die steeds grotere moleculen konden vangen die nodig zijn voor taken zoals het vormen van RNA en het maken van eiwitten, de bouwstenen die nodig zijn voor het leven.

Eventueel, dankzij blaasjes, protocellen hadden zich kunnen splitsen in meer geavanceerde generaties protocellen die voedingsstoffen uit de omgeving hebben opgenomen om te groeien en zich opnieuw te delen.

De nieuwe studie biedt een eenvoudige oplossing voor de puzzel van hoe stabiele blaasjes zich hadden kunnen ontwikkelen. Vroeger, onderzoekers probeerden moleculen genaamd vetzuren te gebruiken om blaasjes te bouwen, maar deze blaasjes zouden reageren op metaalionen en uit elkaar vallen.

"Vetzuurblaasjes overleven gewoon niet veel van de omstandigheden op aarde, en zeker niet het soort omstandigheden dat nodig is om activiteit uit biologisch-achtige moleculen te krijgen, " zegt Mansy. "Deze kloof tussen aannemelijkheid en stabiliteit heeft het voor ons moeilijk gemaakt om ons voor te stellen hoe protocellen zouden kunnen zijn ontstaan."

Onderzoekers hadden nooit eerder geprobeerd cyclofosfolipiden te gebruiken om blaasjes te vormen, maar anno 2018, Krishnamurthy's laboratorium publiceerde een Natuurchemie studie die aantoont dat de omstandigheden op de vroege aarde kunnen hebben geleid tot cyclofosfolipiden.

Na te hebben aangetoond dat cyclofosfolipiden in het begin van het leven kunnen bestaan, de onderzoekers gingen op zoek of de moleculen protocellen konden helpen blaasjes te bouwen. "We wisten niet of ze stabiel genoeg zouden zijn om nuttig of functioneel te zijn, ' zegt Krishnamurthy.

Het bleek dat de nieuwe blaasjes verrassend stabiel waren. Ze waren bestand tegen een breder scala aan fysische en chemische omstandigheden dan vetzuurblaasjes, inclusief veranderingen in de pH. In feite, de nieuwe bevindingen suggereren dat cyclofosfolipiden de ideale basis zouden kunnen zijn voor de blaasjes waardoor protocellen konden evolueren.

"Professor Krishnamurthy's werk met prebiotische fosforylering bracht ons ertoe een nieuw type lipide te onderzoeken dat veelbelovend is om ons te helpen op zijn minst te begrijpen welke soorten chemische eigenschappen nodig waren om een ​​prebiotisch redelijke en robuuste protocel te bouwen, ' zegt Mansy.

De onderzoekers maken zich nu op om cyclofosfolipide-blaasjes door nog meer inspannende tests te laten lopen, diepere vragen beantwoorden. Ze willen weten of deze blaasjes compatibel zijn met andere belangrijke processen die nodig zijn voor evolutie, zoals niet-enzymatische RNA-replicatie.

De studie, "Cyclofosfolipiden verhogen de protocellulaire stabiliteit voor metaalionen, " omvatte ook eerste auteur Ö. Duhan Toparlak van de Universiteit van Trento, en Megha Karki en Veronica Egas Ortuno van Scripps Research.