《自然化学》实验室制造的“原细胞”为生命起源提供线索

发布日期：2024-11-04 11:21    点击次数：162

为了使生命从地球的原始成分中诞生，早期细胞需要某种方式防止其内容物四散开来。所有现代细胞都将其内部结构封装在由脂质构成的复杂双层膜内，科学家们一直在探究这种结构是如何由简单分子首次聚合而成的。一项今天发表于《自然化学》上的研究提供了一种新的“配方”，解释了短链脂质可能是如何生成最早的细胞膜的。

“这很迷人，”特伦托大学的生物化学家谢雷夫·曼西（未参与此项研究）表示，“它为理解原始细胞的出现开辟了新的途径。”

如今，大多数细胞膜的主要成分是复杂且分子量大的磷脂。最早的细胞可能依赖于更简单的脂质，可能是被称为脂肪酸的分子。脂肪酸包含碳原子链，拥有10个或更多碳的版本在实验室中可以自发聚合成膜。但有个难题：此类脂质在早期地球上可能极其罕见。

加州大学圣地亚哥分校的化学生物学家尼尔·德瓦拉吉和他的同事们想知道，是否有办法让较短的脂肪酸也能形成膜。这些分子在陨石中有发现，因此一些研究者认为它们在早期地球上的含量可能比长链脂肪酸更丰富。德瓦拉吉实验室的早期研究显示，半胱氨酸（也是在地球早期可能大量存在的氨基酸）可以像化学夹具一样，将某些前体分子结合在一起，从而生成脂质。

在这项新研究中，研究人员将半胱氨酸与含有八个碳的脂肪酸类似物混合。氨基酸与这些分子发生反应，形成了双尾脂质——现代膜中的磷脂也具有类似的双尾结构。这些脂质聚集成了被膜包裹的球体，称为原细胞。尽管这些空腔并不是细胞——它们缺乏代谢功能和遗传机制等其他特性——但它们可能模仿了细胞演化的某个阶段。研究团队还发现，只有包含六或七个碳的较短脂肪酸无法诱导原细胞的形成。

研究人员还观察到另一项可能与最早细胞的起源相关的现象：这些原细胞很容易在显微镜载玻片的玻璃盖上组装。玻璃中含有二氧化硅，沙子和某些类型的黏土也含有这种物质，而这些材料在原始地球上可能存在。德瓦拉吉推测，这类材料中的二氧化硅可能也曾促使早期膜的形成。

原细胞的膜还显示出与真实细胞膜的其他相似之处。例如，现代细胞膜中的磷脂会排列成双层结构。研究人员的原细胞膜厚度表明，脂质可能也采用了相同的排列方式。细胞膜还可以将重要分子包围在细胞内，科学家们展示了这些原细胞同样具备这一功能。

德瓦拉吉和同事们发现，原细胞膜可以承受原始地球上可能存在的钙和镁离子浓度。这一特性至关重要，因为这些离子是RNA功能的关键，而RNA可能是最早的遗传信息载体和最早的酶类。当研究人员将现代酶类RNA引入这些原细胞时，这些分子在球体内催化了化学反应。

研究生命起源的康涅狄格州立大学天体生物学家莎拉·毛尔称赞德瓦拉吉团队成功生成了类似现代细胞膜中的双尾脂质，这在其他膜起源实验中难以实现。虽然其他研究曾用不同成分创造出原细胞，但华盛顿大学的生物化学家罗伊·布莱克认为，这项新工作提供了“另一种可能的解决方案，而且是一个很好的方案。”

“他们的化学实验非常酷，做得非常好，”剑桥大学的生物化学家克劳迪娅·邦菲奥表示。然而，她补充道，这些原细胞膜中的脂质在现代细胞膜中并不存在，这引发了一个问题：“如果这些脂质曾经存在，为什么现在不存在了？”

曼西表示，要判断这些原细胞是否与其他科学家创造的原细胞相当，还需要确定它们是否能够分裂、生长，甚至进行代谢反应。他指出，“如果他们能够在这些原细胞中开启一个代谢循环，那将是一个更令人印象深刻的成就。”

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