Organokataliziran nastanek protocelic od spodaj navzgor

izhodiščni članek: Organocatalyzed bottom-up formation of protocells

Uvod

Poznavanje spontanega nastanka enoceličnih organizmov je pomembno za razumevanje nastanka življenja v prebiotskih pogojih pribljižno 4 milijarde let nazaj. Ključen korak v razvoju življenja je bila kompartmentalizacija, katero so omogočili vezikli. Znotraj veziklov se namreč poveča kinetika sinteze DNA, RNA, peptidov in ogljikovih hidratov. Razlog za to sta povišana konecntracija substratov znotraj vezikla in bolj nepolarno okolje, kjer je eliminacija vode favorizirana. Ta pa spremlja oligomerizacijske reakcije. Vezikli imajo ovoj iz amfifilnih molekul (npr. fosfolipidov) in imajo sposobnost avtokatalitične rasti. Ko je v vodnem mediju prisoten vezikel, le ta predstavlja ”seme”, in posledično se vedno več amfifilnih molekul vključi v strukturo.

V tej študiji so želeli predstaviti novo teorijo nastanka amfifilnih molekul v preobiotskih pogojih, ter raziskati njihovo spontano organizacijo v protocelice v vodnem okolju od spodaj navgoraj. S pristopom od zgoraj navdol poskušamo kompleksne sisteme sestaviti iz preprostih neživih komponent. Nasprotno, pri pristopu od zgoraj navzdol pa bi žive kompleksne sisteme poskušali zreducirati, in sestaviti nov kompleksni sistem.

Rezultati in razprava

Sinteza amfifilnih molekul - aldolna oligomerizacijska reakcija

Obstaja več teorij nastanka amfifilnih molekul v prebiotskih pogojih. V tej študiji so pokazali novo teorijo, in sicer aldolno oligomerizacijsko reakcijo. Izhodni spojini sta acetaldehid, za katerega vemo, da je bil prisoten v prebiotskih pogojih, ter katalizator imidazolin-4-tion. Tudi ta se sintetizira v prebiotksih pogojih iz enostavnih molekul (H2S, NH3, HCN). Ta katalizator na svoj C2 atom dodaja acetaldehide. Tako nastajajo različno dolge nepolarne verige, katalizator sam pa je polaren. Nastane torej amfifilna molekula. To sintezo so dokazali z masno spektroskopijo visoke ločljivosti (HRMS) ter 1H NMR spektri. Pokazali so oligomerizacijo na C2 atomu, z dolžino pa se je povečevala prostost vode, saj se le ta eliminira med kondeznacijo. Sinteza je potekala pri pH 4, kar je reprezentativno za prebiotske pogoje, ter brez dodatnih reagentov. Imidazolin-4-tion ima pKa 3,8 in tako vzdržuje pH reakcije.

Vezikli

Z mikroskopijo so opazili nastanek veziklov, katerih število se je povečevalo z naraščajočo začetno koncetracijo obeh reagentov. V nadaljnih poskusih so želeli nastale strukture okarakterizirati in raziskati njihov nastanek.

Če so pH znižali na s 4 na 2,5 niso s HRMS zaznali nobenih sprememb v strukturi amfifilnih molekul, vendar so pod mikrokopom opazili znatno nižje število veziklov. Ko pa so pH povišali na 7, so zaznali krašje oligomere in nižje nivoje eliminacije vode. O številu veziklov niso zapisali nobenih opažanj. Ti rezultati so konsistentni z znanim dejstvom, da sta oligomerizacija in eliminacija vode favorizirani v kislih, prebiotskih pogojih.

V reakcijsko mešanico so dodali soli (NaCl, MgCl2, CaCl2) v različnih koncentracijah, da bi simulirali pogoje v prebiotskem morju. Ob dodatku soli so se sintetizirali daljši oligomeri, hitrost reakcije je bila višja in samoorganizacija v vezikle bolj učinkovita. Ob visokih koncentracijah sta bili sinteza in samoorganizacija inhibirani.

Želeli so tudi določiti robustnost reakcjiskega sistema. Sintezo so izvedli pri velikem razponu pogojev in rezultate spremljali spet preko HRMS in mikroskopije. Reakcija je bila najhitrejša pri visokih koncetracijah reagentov (1 M acetaldehid, 10 % katalizator), zato so te pogoje uporabili za spremljanje rekacije v časnovnem intervalu enega dneva. Opazili so podaljšanje najdaljše verige iz C14 na C20, in tudi splošno povišanje koncentracije krajših verig, kar nakazuje na dinamično rast oligomerov s časom. To odkritje je logično, saj je znano da heterogenost dolžin oligomerov vodi v samosestavitev veziklov. Hkrati pa tudi po enem tednu niso opazili verig, daljših od C20. Ta zelo zanimiv rezultat nam pove, da je dolžina lipidnih verig v živih organskih sistemih morda omejena na od C16 do C20 zaradi fizikalnih lastnosti, kot so topnost v vodi ter van der Waalsove interakcije med verigami.

Opazovali so tudi rast veziklov skozi čas, in sicer z mikroskopiranjem in dinamičnim sipanjem svetlobe. Po eni uri so bili vezikli še premajhni za zaznavo z mikroskopom, potem pa so se postopoma večali do limita premera cca 800 nm po 6 urah, kar res kaže na njihovo avtokatalitično rast.

Reakcijsko mešanico so vitrificirali in s krio-presevnim elektronskim mikroskopom (crio-TEM) so preučili zgradbo roba vezikla. Pri manjši povečavi je vidna jasna meja, lipidni dvosloj pa ni viden. V notranjosti vezikla so opazili temne lise, za katere se sklepali, da so vodne kapljice, ki so nastale med sintezo amfifilnih molekul in formacijo vezikla. Pri večji povečavi so določili premer meje vezikla, ki je bil 3,1 ± 0,2 nm ne glede na velikost vezikla. Ta premer je skladen z debelino lipidnih doslojev.

Z namenom preučevanja kemične sestave vezikla so vezikle obarvali z rodaminom B. To barvilo fluorescira močneje v nepolarnem okolju. Ker je barvilo polarno, se v polarnem okolju veže na polarne molekule, kar utiša njegovo fluorescenco. Dodali so ga tik pred meritvijo fluoroscence, v različnih stopnjah sinteze. Najprej sta bili celotna površina in notranjost vezikla enakomerno fluorescentni in zaključili so, da je sprva prisotna oljna kapljica, katero obdaja urejen lipidni dvosloj. Čez čas so se v notranjosti pojavile temne lise, kar so opazili tudi s crio-TEM. Tu so potrdili, da je to voda, ki je nastala med sintezo amfifilnih molekul. Skozi čas se vodne kapljice združujejo, in nastane protocelica. Po sestavi je protocelica torej z lipidnim dvoslojem enkapsulirana voda. Postavili so hipotezo, da se amfifilni katalizatorji oblikujejo v dvosloj ob stiku z vodo. To hipotezo so tudi potrdili, ko so dali produkt v vodno raztopino s pH 4 in so s fluorescentom mikroskopom opazili spontano fomacijo protocelic. Gonilna sila tega pojava je hidrofobni efekt.

Zaključek

Kaj vse so pokazali v tej študiji? Amfifilne makromolekule lahko nastanejo iz enostavnih molekul v prebiotskih pogojih, brez dodatnih reagentov. Fenomen formiranja protocelic od spodaj navzor nam pojasni tranzicijo oljnih kapljic v vezikle in kasneje v protocelice, ki se je zgodila na Zemlji v zgodnjih stopnjah razvoja življenja. Dejstvo, da je barvilo lahko prehajalo dvosloj, namiguje na to, da so tudi v začetkih življenja na podoben način molekule lahko prehajale v vezikel, se tam akumulirale, ter razvile v za življenje pomembne molekule.

Literatura

Ebeling, M. S. R., Berninghausen O., Nguyen, K. H., Beckmann, R., Trapp O. Organocatalyzed bottom-up formation of protocells. Nature Communications, 2026, 17(1987). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69597-5