新的磷脂发现使研究人员更加了解原始细胞在生命起源过程中是如何出现的
大约 40 亿年前，地球正在形成适合生命存在的条件。生命起源科学家经常想知道早期地球上发现的化学类型是否与今天生命所需的相似。他们知道，称为原始细胞的球形脂肪集合是生命出现过程中细胞的前身。但简单的原始细胞是如何首先出现并多样化并最终在地球上产生生命的呢?
现在，斯克里普斯研究中心的科学家们发现了一种可能的途径，解释了原始细胞如何首先形成并进行化学进展以实现多种功能。
该研究结果于 2024 年 2 月 29 日在线发表在《化学》杂志上，表明一种称为磷酸化(将磷酸基团添加到分子中)的化学过程可能比之前预期的发生得更早。这将导致结构更加复杂的双链原始细胞能够进行化学反应并分裂出多种功能。通过揭示原始细胞的形成方式，科学家可以更好地了解早期进化是如何发生的。
“在某些时候，我们都想知道我们从哪里来。我们现在发现了一种似乎合理的方式，磷酸盐可以比以前想象的更早地融入细胞样结构中，从而为生命奠定基础 。 ”斯克里普斯研究中心的化学。“这一发现有助于我们更好地了解早期地球的化学环境，以便我们能够揭示生命的起源以及生命如何在早期地球上进化。”
克里希那穆蒂和他的团队研究了化学过程是如何发生的，从而导致生命出现之前的地球上存在的简单化学物质和形成。克里希那穆蒂还是 美国宇航局一项计划的联合领导者，该计划旨在调查生命如何从这些早期环境中出现。
在这项研究中，Krishnamurthy 和他的团队与软物质生物物理学家Ashok Deniz 博士的实验室合作，他是斯克里普斯研究中心综合结构和计算生物学系的共同通讯资深作者和教授。他们试图检查磷酸盐是否可能参与原始细胞的形成过程。磷酸盐几乎存在于体内的所有化学反应中，因此克里希那穆蒂怀疑它们的存在时间可能比之前认为的要早。
科学家认为原始细胞是由脂肪酸形成的，但尚不清楚原始细胞如何从单链磷酸盐转变为双链磷酸盐，这使得它们更加稳定并进行化学反应。
科学家们想要模仿看似合理的生命起源条件，即生命出现之前存在的环境。他们首先确定了三种可能的化学混合物，它们可能会产生囊泡，即类似于原始细胞的脂质球形结构。使用的化学物质包括脂肪酸和甘油(肥皂生产的常见副产品，可能在地球早期就已经存在)。接下来，他们观察了这些混合物的反应，并添加了额外的化学物质来创造新的混合物。将这些溶液重复冷却和加热过夜，同时进行一些摇动以促进化学反应。
然后他们使用荧光染料检查混合物并判断是否发生了囊泡形成。在某些情况下，研究人员还改变 pH 值和成分比例，以更好地了解这些因素如何影响囊泡形成。他们还研究了金属离子和温度对囊泡稳定性的影响。
“在我们的实验中，囊泡能够从脂肪酸环境转变为磷脂环境，这表明类似的化学环境可能在 40 亿年前就已经存在，”第一作者、Krishnamurthy 实验室的博士后研究员 Sunil Pulletikurti 说。
事实证明，脂肪酸和甘油可能经历了磷酸化，形成了更稳定的双链结构。特别是，甘油衍生的脂肪酸酯可能导致囊泡对金属离子、温度和 pH 值具有不同的耐受性，这是多样化进化的关键一步。
“我们发现了磷脂在这一化学进化过程中如何出现的一条可能的途径，”德尼兹说。“揭示早期化学物质如何转变以允许地球上存在生命是令人兴奋的。我们的发现还暗示了许多有趣的物理学，这些物理学可能在现代细胞的发展过程中发挥了关键的功能作用。”
接下来，科学家们计划研究为什么一些囊泡融合而另一些囊泡分裂，以更好地了解原始细胞的动态过程。
这项研究“实验模拟生命前可能的磷脂囊泡的出现”的作者包括斯克里普斯研究中心的 Sunil Pulletikurti、Veena S. Kollery、Mahipal Yadav、Ashok A. Deniz 和 Ramanarayanan Krishnamurthy。
这项工作得到了 NASA 天体生物学-外太空生物学(拨款 80NSSC20K0625)和西蒙斯基金会(拨款 327124FY19)的支持。
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