Nie je jednoduché sa cez súčasné, vývojom zdokonaľované zložité štruktúry dopátrať k najjednoduchšiemu počiatočnému modelu.
Zobrazenie modelu protobunky s priemerom asi 100 nanometrov (asi desaťtisícina milimetra). Povrchová membrána, tvorená molekulami mastných kyselín umožňuje živinám a nukleotidom prechádzať dovnútra bunky a podieľať sa na neenzymatickom kopírovaní DNA vo vnútri bunky. Pre novovytvorené vlákna DNA je membrána už nepriechodná, preto zostávajú v protobunke. (Credit: Janet Iwasa, Szostak Laboratory, Harvard Medical School and Massachusetts General Hospital)
Tím vedcov z Lekárskej fakulty Harvardovej univerzity vytvoril laboratórny model simulujúci možnú cestu k vzniku prvotnej bunky – protobunky – ktorá je schopná sa deliť a zo svojho okolia pasívne získavať látky nevyhnutné na rast, tvorbu genetickej informácie a jej kopírovanie.
“Zistili sme, že molekuly mastných kyselín sú najpravdepodobnejšími zložkami prvotných bunkových membrán s veľmi odlišnými vlastnosťami než majú tie súčasné, ktoré potrebujú špecializované membránové čerpadlá, kanály, či póry na kontrolu toho, čo vstupuje dovnútra, či vychádza z bunky von” – vysvetľuje vedúci výskumného tímu Jack Szostak. Práve veľmi sofistikované bariéry lipidových membrán súčasných buniek s vyvinutými zložitými transportnými funkciami komplikujú pochopenie vzniku molekulárneho života a zamedzujú úvahy o možnom heterotrofnom (pasívne získavajúcom organické látky z okolia ako zdroj energie) spôsobe života prvotnej bunky, tvrdia autori v úvode článku, ktorý vyšiel začiatkom júna v elektronickej prílohe časopisu Nature – Nature"s advance online publication.
Lipidové dvojvrstvy – jednoduchý mechanizmus, zaujímavé vlastnosti
Vo všetkých bunkách predstavujú lipidové dvojvrstvy univerzálny základ štruktúry plazmatických membrán. Taká membrána môže rásť, alebo sa deformovať bez narušenia celistvosti, po poškodení je schopná rýchlej regenerácie. Tajomstvo týchto vlastností je ukryté vo vlastnostiach molekúl tukov, ktoré majú hydrofilné (“vodomilné“, na vodu sa viažuce) časti – hlavičky, a jeden, či dva hydrofóbne (vodoodpudivé, „vody sa bojace“) uhľovodíkové konce. To spôsobuje, že sa molekuly vo vodnom prostredí spontánne zgrupujú. Nerozpustné, nepolárne hydrofóbne konce sa snažia chrániť sa pred kontaktom s vodou práve pomocou vrstvy polárnych hydrofilných hlavičiek, ktoré sa cez elektrostatické väzby, či vodíkové mostíky viažu na okolité, tiež polárne molekuly vody. Tak vznikajú drobné guľovité zoskupenia molekúl mastných kyselín – micely.
V závislosti od koncentrácie a pH okolia sa micely môžu spájať a vytvárať dvojvrstevné membránové plochy. Nie je zložité pochopiť, ako fyzikálne podmienená snaha o najvýhodnejšie usporiadanie vedie nielen k tomu, že sa každá trhlina v takejto štruktúre rýchlo zacelí, ale ani to, ako sa otvorené dvojvrstvy uzavierajú do akýchsi guľovitých tvarov podobných mechúrikom, či váčkom (autori tieto štruktúry nazývajú vezikulami, podľa veľmi podobných transportných uzavretých štruktúr vo vnútri buniek, tiež tvorených z bunkových membrán).
Práve tieto dvojvrstvové guľovité štruktúry z molekúl mastných kyselín vedci použili ako laboratórne modely protobunkových membrán.
Aj plazmatické membrány súčasných buniek tvorí súvislá dvojvrstva najčastejšie z fosfolipidov, menej sterolov, či glykolipidov. Do nej sú však vnorené mnohé, vysoko selektívne, proteínové kanály a pumpy, ktoré zabezpečujú prenos špecifických látok dovnútra bunky, alebo von z nej. Ale ani samotné lipidové dvovrstvy nie sú voči látkam v okolí úplne inertné. Už dávnejšie je známe, že nimi môžu prechádzať malé nepolárne molekuly napríklad kyslíka, či kysličníka uhličitého. Pre veľké polárne molekuly, alebo ióny je dvojvrsva nepriechodná.
Szostakov tím preskúmal dvojvrstvy tvorené rôznymi molekulami mastných kyselín, aby identifikoval špecifické vlastnosti, ktoré membránu robia viac, či menej priepustnú pre potenciálne molekuly stavebných látok. Potvrdilo sa, že pre veľké molekuly, napríklad reťazce DNA, alebo RNA predstavuje nedobytnú hranicu. No jednoduché cukry, či jednotlivé nukleotidy (základné stavebné prvky nukleových kyselín DNA a RNA) môžu takouto bariérou prechádzať pomerne ľahko.
Pri výskume týchto jednoduchých protobunkových membrán však vedci použili špeciálne pripravené, aktivované nukleotidy, ktoré sú schopné vytvoriť kópiu reťazca DNA podľa vzorového vlákna bez toho, aby k tomu bol potrebný enzým polymeráza, inak nevyhnutná pri replikácii nukleových kyselín. Ak do vnútra uzavretej guľovitej membrány (vezikuly) vložili vzorový reťazec DNA a do okolitého prostredia pridali aktivované nukleotidy, zistili, že vo vnútri sa vytvoril ďalší reťazec, komplementárny k tomu pôvodnému. Vznikol tak vlastne „klasický“ úsek postupnosti bázových párov.
Aj keď na začiatku si vedci neboli istí, že aktivované, teda nie neutrálne stavebné jednotky budú schopné preniknúť cez membrány z dvojvrstvy molekúl mastných kyselín, ukázalo sa, že sa to nielenže udiať môže, ale že v skutočnosti sa to deje celkom efektívne. Tým sa výrazne posunuli k cieľu – vytvoriť model protobunky, ktorá by bola schopná stavebné látky absorbovať z okolia, rásť, vytvárať kópie nukleotidových reťazcov a deliť sa. A to všetko v reálnom prostredí, aké bolo napríklad v dávnych hydrotermálnych prameňoch. Mnohí predpokladajú, že napríklad to boli miesta, kde ešte pred vznikom života sa vytvorili pre takýto scenár vývoja potrebné prebiotické molekuly mastných kyselín a aminokyselín.
Odporúčaná stránka s animáciami:
EXPLORING
Zdroj:
ScienceDaily
National Science Foundation