Гіпотетична найпростіша протоклетка, що харчується готової органікою. Мембрана протоклітини зростає за рахунок включення відповідних молекул із зовнішнього середовища. Ділиться протоклетка простим «розвалювання навпіл» під дією внутрішніх або зовнішніх фізичних сил. Основну «їжу» її складають активовані нуклеотиди. Вони просочуються крізь мембрану і використовуються для мимовільного (неферментативного) розмноження молекул нуклеїнових кислот (РНК, ДНК або якихось їхніх ранніх модифікацій). Мал. з обговорюваної статті в Nature
Американські біологи зробили важливий крок до розуміння початкових етапів зародження життя. Їм вдалося створити «протоклітини» з оболонкою з простих ліпідів і жирних кислот, здатну втягувати з навколишнього середовища активовані нуклеотиди - «цеглинки», необхідні для синтезу ДНК. Протоклетка не може самостійно здійснювати матричний синтез (реплікацію) ДНК від початку і до кінця, але успішно справляється з найважливішими етапами цього процесу, причому всі реакції йдуть без участі будь-яких білків або інших складних біологічних молекул-каталізаторів.
Інші експерти вважають більш вірогідним, що перші організми були автотрофами, тобто не потребували готової органіці і синтезували її самі з вуглекислого газу і інших простих речовин, використовуючи для цього енергію окислювально-відновних реакцій (хемоавтотрофи) або світла (фотоавтотрофи). Втім, ідея про первинність фотоавтотрофов видається сумнівною, оскільки дані порівняльної геноміки переконливо свідчать про більш пізньому появі фотосинтезу в порівнянні з деякими типами хемоавтотрофні метаболізму, такими як метаногенеза і анаеробне окислення метану.
Молекулярні дані, проте, поки не дають чіткої відповіді на питання про те, хто з'явився раніше - гетеротрофи або хемоавтотрофи. На користь первинності гетеротрофов свідчить, перш за все, той очевидний факт, що їх обмін речовин в цілому влаштований простіше. Використовувати готову органіку для побудови власних клітин повинні вміти все живі організми, але автотрофам необхідно також цю органіку самим синтезувати з простих молекул. Логічно припустити, що здатність до зв'язування CO2 і синтезу органіки розвинулася пізніше, як «надбудова» над гетеротрофним метаболізмом.
Однак висуваються і серйозні аргументи проти ідеї про первинність гетеротрофов. Один з них полягає в тому, що оскільки всі живі організми розмножуються в геометричній прогресії, то найперша з'явилася на планеті гетеротрофну форма життя з'їла б весь первинний бульйон, скільки б його не було, за незначний за геологічними мірками термін. Вона б просто не встигла за цей час пройти весь шлях еволюційного розвитку, необхідний для перетворення гетеротрофного організму в автотрофний. На це можна заперечити, що «бульйон» потроху підживлювався органікою, що утворюється, наприклад, в ході геохімічних процесів в надрах планети.
Інший аргумент відвести важче. Мембрани (оболонки) сучасних клітин складаються з фосфоліпідів. і ці мембрани практично непроникні для полярних і заряджених молекул, в тому числі для складних органічних сполук, таких як цукру або нуклеотиди. Щоб транспортувати ці молекули через мембрану, у сучасних клітин є набір спеціальних транспортних білків. На зорі життя таких білків, звичайно, не могло бути. Отже, протоклетка просто не могла отримувати складну органіку із зовнішнього середовища. Вона повинна була задовольнятися тими простими неорганічними молекулами, які здатні проходити через фосфоліпідну мембрану без сторонньої допомоги. Висновок: перші живі клітини були автотрофами.
Фосфоліпіди - молекули досить складні. Мембрани протоклеток, скоріше, повинні були збиратися з простіших амфіфільних сполук, які могли утворюватися абіогенним шляхом.
Схема проходження полярних або слабкозаряджені молекул крізь двошарову ліпідну мембрану. Молекула спочатку прилипає до гідрофільних «голівках» ліпідів (виділені червоним). Це призводить до зміни орієнтації молекул ліпідів. При певних умовах ліпіди можуть «перекувирнуться» головками на іншу сторону мембрани, захоплюючи за собою захоплену молекулу. Мал. з додаткових матеріалів до обговорюваної статті в Nature
Однак і тут знайшовся обхідний шлях. Нуклеотиди можна активувати іншим способом - приєднавши до них замість трьох фосфатів один фосфат і молекулу імідазолу (імідазол - просте органічне з'єднання, широко поширене в живій природі і представляє собою кільце з трьох атомів вуглецю і двох атомів азоту; імідазол є складовою частиною однієї з 20 « канонічних »амінокислот - гістидину). Нуклеотиди, активовані имидазолом, годяться для синтезу ДНК і РНК, але мають тільки один негативний заряд, а не чотири, як нуклеотид-трифосфати. Такі нуклеотиди вже застосовувалися раніше в експериментах із синтезу нуклеїнових кислот без участі ферментів.
На сьогоднішній день хіміки вже домоглися деяких успіхів у вивченні неферментативної реплікації нуклеїнових кислот. Однак умови, необхідні для проходження повного циклу реплікації без допомоги білків, поки ще не вдалося підібрати. Залишилися дві головні невирішені проблеми. По-перше, поки не знайдені умови, в яких йшов би сам собою матричний синтез будь-молекули ДНК або РНК незалежно від послідовності нуклеотидів в матриці. Одні послідовності вдається реплицировать, інші ні. По-друге, щоб процес мимовільної реплікації почався, потрібна «запал» - праймер. Це означає, що якщо взяти просту одноцепочечную молекулу ДНК або РНК, то на такій матриці без допомоги ферментів реплікація не розпочинається. Починати її доводиться все-таки з використанням ферментів. Але якщо частина нуклеотидів другий (комплементарної) ланцюжка вже стоїть на своїх місцях, то процес реплікації може в певних умовах тривати без допомоги ферментів. І це вже немало.
Ці бульбашки з начинкою - модельні протоклітини - помістили в середу, оптимальну для неферментативного синтезу ДНК (pH 8,5, температура 4 ° C, плюс ще два простих органічних з'єднання, теоретично сумісних з уявленнями про первинному бульйоні). Після цього протоклітини стали отримувати «їжу» - активовані нуклеотиди. Офіційна назва «корми»: 2'-аміно-2 ', 3'-дідеоксігуанозін-5-фосфорімідазол. Час від часу частина протоклеток витягалася з розчину, щоб подивитися, як йде реплікація.
Йшла вона добре, хоч і повільно. Зрештою все протоклітини впоралися із завданням, тобто закінчили реплікацію недорепліцірованних молекул ДНК, добудувавши до кожного з 15 цитидину (Ц) комплементарний йому гуанозин (Г). На це у них пішло 24 години, по 96 хвилин на нуклеотид. У справжніх живих клітинах реплікація ДНК здійснюється в десятки мільйонів разів швидше, але ж там є надефективні каталізатори - ферменти.
Отримані результати показують, що перші живі клітини все-таки могли бути гетеротрофами. А ще вони показують, що вже в самому найближчому майбутньому вчені, мабуть, зможуть відтворити в лабораторії всі ключові етапи зародження життя з неживої матерії.