Как мембраны могли повлиять на химию зарождения жизни на Земле

Исследователи изучают общие черты современной жизни, чтобы ответить на вопрос о её происхождении. Всё живое состоит из клеток, и ключевое отличие первых клеток от химических реакций в окружающей среде — наличие мембраны.

Изучая свойства ранних мембран, учёные могут лучше понять, как возникла и эволюционировала жизнь.

Важная особенность мембран — их избирательная проницаемость: они определяют, какие молекулы попадают в клетку и участвуют в биологических процессах.

Исследователи сосредоточились на молекулах, фундаментальных для всей жизни: сахарах, образующих основу ДНК и РНК, и аминокислотах — строительных блоках белков. Эти молекулы не только повсеместны, но и обладают специфической "закрученностью".

Работа опубликована в PLOS Biology.

Биологические молекулы обладают свойством хиральности — направлением их "закрутки", подобно тому как левая и правая руки зеркально симметричны, но не идентичны.

В биологии хиральность критически важна для взаимодействия молекул. Например, все сахара в ДНК и РНК должны иметь одинаковую хиральность (быть "праворукими"), чтобы собраться в цепочку. Однако вопрос, почему жизнь выбрала именно эту хиральность, остаётся открытым.

Учёные предполагают, что ранние мембраны могли сыграть ключевую роль в отборе "праворуких" сахаров и "леворуких" аминокислот, которые использует вся современная жизнь.

Они проанализировали проницаемость мембран со свойствами, подобными мембранам архей — одной из основных групп микробов, а также спроектированной мембраны со смешанными архейными и бактериальными свойствами.

Результаты:

• Для обоих типов мембран "праворукие" сахара ДНК и РНК проникали легче, в то время как их "леворукие" версии с трудом проходили через барьер.
• Среди аминокислот картина была более вариативной. Некоторые "леворукие" аминокислоты чаще проникали через мембрану со смешанными свойствами. В их числе была аланин — одна из первых аминокислот, предположительно использованных жизнью.

Хотя это исследование не даёт полной картины для всех аминокислот, оно показывает, что различия в мембранах сильно влияют на то, какие аминокислоты могут пройти внутрь.

Поскольку изученные мембраны — лишь приближение к мембранам первой жизни на Земле, возможно, существовали и другие, неизвестные свойства ранних мембран, повлиявшие на отбор наших ключевых молекул.

Авторы добавляют: "Вся известная жизнь использует определённую стереохимию: леворукие аминокислоты и праворукие сахара ДНК. Понимание того, как это эволюционировало, — давняя загадка, ключевая для понимания происхождения жизни. Наши эксперименты показывают, что определённый тип мембраны — структура, окружающая клетки, — действует как сито, отбирающее ту стереохимию, которую использует жизнь".