Krishnamurthy en zijn team bestuderen hoe chemische processen plaatsvonden die de eenvoudige chemicaliën en formaties veroorzaakten die aanwezig waren vóór het ontstaan ​​van leven op de prebiotische aarde. Krishnamurthy is ook medeleider van een NASA-initiatief dat onderzoekt hoe het leven uit deze vroege omgevingen ontstond.

In deze studie werkten Krishnamurthy en zijn team samen met het laboratorium van biofysicus Ashok Deniz, Ph.D., co-corresponderend senior auteur en professor bij de afdeling Integratieve Structurele en Computationele Biologie bij Scripps Research. Ze probeerden te onderzoeken of fosfaten mogelijk betrokken waren bij de vorming van protocellen. Fosfaten zijn aanwezig in bijna elke chemische reactie in het lichaam, dus Krishnamurthy vermoedde dat ze eerder aanwezig waren dan eerder werd aangenomen.

Wetenschappers dachten dat protocellen gevormd werden uit vetzuren, maar het was onduidelijk hoe protocellen overgingen van een enkele keten naar een dubbele keten van fosfaten, wat ervoor zorgt dat ze stabieler zijn en chemische reacties kunnen herbergen.

De wetenschappers wilden plausibele prebiotische omstandigheden nabootsen – de omgevingen die bestonden vóór de opkomst van het leven. Ze identificeerden eerst drie waarschijnlijke mengsels van chemicaliën die mogelijk blaasjes zouden kunnen creëren, bolvormige structuren van lipiden die lijken op protocellen.

De gebruikte chemicaliën waren onder meer vetzuren en glycerol (een veel voorkomend bijproduct van de zeepproductie dat mogelijk al bestond tijdens de vroege aarde). Vervolgens observeerden ze de reacties van deze mengsels en voegden extra chemicaliën toe om nieuwe mengsels te creëren. Deze oplossingen werden 's nachts herhaaldelijk gekoeld en verwarmd, waarbij ze enigszins geschud werden, om chemische reacties te bevorderen.

Vervolgens gebruikten ze fluorescerende kleurstoffen om de mengsels te inspecteren en te beoordelen of er blaasjesvorming had plaatsgevonden. In bepaalde gevallen varieerden de onderzoekers ook de pH en de verhoudingen van de componenten om beter te begrijpen hoe deze factoren de vorming van blaasjes beïnvloedden. Ze keken ook naar het effect van metaalionen en temperatuur op de stabiliteit van de blaasjes.

"De blaasjes konden tijdens onze experimenten overgaan van een vetzuuromgeving naar een fosfolipidenomgeving, wat suggereert dat een vergelijkbare chemische omgeving 4 miljard jaar geleden had kunnen bestaan", zegt eerste auteur Sunil Pulletikurti, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Krishnamurthy.

Het blijkt dat vetzuren en glycerol mogelijk fosforylering hebben ondergaan om die stabielere dubbele ketenstructuur te creëren. In het bijzonder kunnen van glycerol afgeleide vetzuuresters hebben geleid tot blaasjes met verschillende toleranties voor metaalionen, temperaturen en pH – een cruciale stap in de diversificatie van de evolutie.

"We hebben één plausibele route ontdekt voor de manier waarop fosfolipiden tijdens dit chemische evolutieproces konden ontstaan", zegt Deniz. "Het is spannend om te ontdekken hoe de vroege chemie zich heeft ontwikkeld om leven op aarde mogelijk te maken. Onze bevindingen duiden ook op een schat aan intrigerende natuurkunde die mogelijk een belangrijke functionele rol heeft gespeeld op de weg naar moderne cellen."

Vervolgens zijn de wetenschappers van plan te onderzoeken waarom sommige blaasjes samensmolten terwijl andere zich splitsten, om de dynamische processen van protocellen beter te begrijpen.

Meer informatie: Experimenteel modelleren van de opkomst van prebiotisch plausibele fosfolipideblaasjes, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.02.007. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00069-X

Journaalinformatie: Chem

Aangeboden door het Scripps Research Institute