Почему вся жизнь «праворукая»? Ученые поняли, как мембраны решали судьбу первых молекул жизни
Загадка происхождения жизни на Земле — один из тех вечных вопросов, что будоражат умы ученых и обывателей на протяжении столетий. Мы знаем, что все живое состоит из клеток, этих микроскопических «кирпичиков» бытия. Но что именно сделало первые примитивные клетки живыми, отделив их от бурлящего «первичного бульона» химических реакций? Ответ, как ни странно, может крыться в их оболочке — клеточной мембране. Новое исследование, опубликованное в журнале PLOS Biology, проливает свет на то, как эти древние барьеры могли сыграть решающую роль в отборе фундаментальных молекул, ставших основой всей известной нам жизни.
Зеркальный мир молекул: почему «левое» и «правое» имеет значение?
Прежде чем мы погрузимся в детали исследования, давайте разберемся с одним любопытным свойством биологических молекул — хиральностью. Представьте свои ладони: они похожи, состоят из одинаковых частей, но являются зеркальными отражениями друг друга. Вы не сможете идеально наложить левую руку на правую. Точно так же многие органические молекулы существуют в двух зеркальных формах, называемых энантиомерами. Химически они почти идентичны, но их пространственная структура отличается, как левая и правая перчатка.
Почему это так важно для жизни? А вот почему: все живые организмы на Земле, от бактерии до слона, используют сахара (например, рибозу и дезоксирибозу в ДНК и РНК) только одной хиральности — так называемой D-формы («правовращающие»). А аминокислоты, из которых строятся белки, почти исключительно L-формы («левовращающие»). Это единообразие, или гомохиральность, критически важно. Представьте себе молнию, где все зубцы должны быть одного типа, чтобы она застегнулась — так и здесь, единообразие хиральности обеспечивает стабильность и правильную укладку двойной спирали ДНК, а также корректную работу ферментов и других белков.
Но как природа сделала этот почти абсолютный выбор в пользу одних «зеркальных» форм и отвергла другие? Эта загадка, известная как проблема происхождения биологической гомохиральности, долгое время оставалась без убедительного ответа. И вот здесь на сцену выходят древние клеточные мембраны.
Мембрана: не просто стенка, а хитрый фильтр
Раньше мембрану часто воспринимали как пассивный барьер, просто отделяющий внутреннее содержимое клетки от внешнего мира. Однако современные исследования показывают, что это далеко не так. Клеточная мембрана — это активная, динамичная структура, которая избирательно пропускает вещества, контролируя, что входит в клетку и что из нее выходит. Она — настоящий молекулярный «фейс-контроль».
Авторы новой работы предположили, что именно эта избирательная проницаемость ранних мембран могла стать тем механизмом, который «отсортировал» молекулы по их хиральности. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые создали несколько типов искусственных мембран. Одни имитировали свойства мембран архей — древнейшей группы микроорганизмов, которые считаются одними из ближайших потомков первых форм жизни. Другие мембраны сочетали в себе свойства архейных и бактериальных мембран, представляя собой некий гипотетический «промежуточный» вариант.
Затем исследователи начали пропускать через эти мембраны растворы, содержащие как «правовращающие» (D), так и «левовращающие» (L) формы сахаров (компонентов ДНК и РНК) и аминокислот. И результаты оказались весьма интригующими!
Что показал эксперимент?
Выяснилось, что для сахаров, составляющих основу нуклеиновых кислот, мембраны обоих типов демонстрировали явное предпочтение. D-формы сахаров, те самые, что используются в ДНК и РНК всех живых существ, проходили через мембраны значительно легче, чем их L-«зеркальные близнецы». Получается, древняя мембрана могла работать как своего рода молекулярное сито, отсеивая «неправильные» сахара.
С аминокислотами ситуация оказалась немного сложнее. Здесь не было такой однозначной картины, как с сахарами. Однако для мембраны смешанного, архейно-бактериального типа, некоторые L-аминокислоты действительно демонстрировали лучшую проницаемость. Особенно примечательно, что среди них оказался аланин — аминокислота, которую многие ученые считают одной из первых, использованных жизнью. Это наблюдение, хоть и не объясняет гомохиральность всех аминокислот, указывает на важную тенденцию: физические свойства мембраны способны влиять на то, какие именно строительные блоки будут накапливаться внутри прото-клетки.
Шаг к разгадке, но не финишная прямая
Конечно, важно понимать, что изученные в лаборатории мембраны — это лишь приближение к тем оболочкам, которые могли существовать у первых живых организмов миллиарды лет назад. Реальные древние мембраны могли обладать и другими, пока неизвестными нам свойствами, которые также вносили свой вклад в отбор «правильных» молекул.
Тем не менее, это исследование — значительный шаг вперед. Оно впервые экспериментально показывает, что чисто физический механизм — избирательная проницаемость мембраны — мог играть ключевую роль в формировании фундаментальной химической особенности жизни, ее хиральной чистоты. Это не отменяет другие возможные механизмы (например, влияние поляризованного света или катализ на минеральных поверхностях), но добавляет еще один важный элемент в сложную мозаику происхождения жизни.
Как отмечают сами авторы, «наши эксперименты показывают, что определенный тип мембран… действует как сито, которое отбирает ту стереохимию, которую использует жизнь». По сути, это означает, что еще до появления сложных генетических и ферментативных систем, примитивная клеточная оболочка могла задавать тон, определяя, какие «детали» будут доступны для сборки первых живых конструкций.
Так что в следующий раз, когда вы задумаетесь о тайнах мироздания, вспомните о скромной клеточной мембране. Возможно, именно этот тончайший барьер, некогда возникший в первичном океане, и стал тем невидимым дирижером, который выбрал ноты для великой симфонии жизни. И хотя полная партитура этого произведения нам еще не известна, каждая такая научная работа приближает нас к ее пониманию.