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东工大发现可以解释细胞生命起源的化学新现象

2019年11月06日 生物医药

在地球上出现生命之前,环境中可能包含有大量的化学物质,它们彼此之间近乎随机地发生反应,目前尚不清楚复杂的细胞是如何从这种化学混沌中产生的。现在,由东京工业大学地球生命科学研究所的Tony Jia和马来西亚国立大学的Kuhan Chandru领导的科研团队通过研究表明,简单的α-羟基酸(如羟基乙酸酸和乳酸)在适宜温度下干燥并重新浸润时,会自发聚合并自组装成聚酯微滴。这种现象可能正和原始海滩及河岸或干燥水坑中发生的情况一样。它们形成了一种新型的细胞分隔室,可以捕获以及浓缩核酸和蛋白质等生物分子。与大多数现代细胞不同,这些小液滴很容易发生融合和重组,因此可以催生出可能对生命起源至关重要的早期遗传和代谢系统。

东工大发现可以解释细胞生命起源的化学新现象

图1. 含有荧光染料的异质聚酯微滴(图片提供:地球生命科学研究所Tony Jia)

地球上的所有生命都是由细胞组成的。细胞由脂质、蛋白质和核酸组成,其中脂质形成的细胞膜可以将其他组分保持在一起,并与环境接触与交流,以交换食物和排泄物。但是,和细胞一样复杂的分子组装体最初到底是如何形成的依然是一个谜。大多数生命起源研究都聚焦于环境如何产生生命相关的分子,随后如何将其组装成支撑起细胞的结构。然而,在早期地球上,很可能还有许多其他类型的分子与生物分子同时形成,生命也许是从与现代生物分子无关的非常简单的化学分子开始的,然后经过越来越复杂的过程不断演变而形成了现代细胞中所发现的结构。

地球生命科学研究所的前期工作表明,在陨石以及很多生物前化学模拟中发现的被称为α-羟基酸的简单有机化合物,在适宜温度下干燥会自发地将其自身聚合成聚酯的混合物。在这项工作的基础上,Jia及其同事又进行了进一步的分析。他们在显微镜下仔细观察了这些反应,发现这些混合聚酯体系形成了凝胶相,并在重新浸润以形成简单细胞状结构时自发组装了起来。

东工大发现可以解释细胞生命起源的化学新现象

图2. α-羟基酸单体经干燥后形成聚酯凝胶,随后经过再润湿后形成微液滴的组装。(图片:地球生命科学研究所)

这项工作最大的挑战在于设计新方法来表征液滴的特性和功能,因为以前从来没有人分析过这种体系。Jia指出,能够拥有多种学科领域的专家,其中包括化学家、生物化学家、材料科学家和地质学家,对该研究团队来说是件十分幸运的事。该团队首先测量了这些细胞结构的稳定性,发现它们可以在某种环境条件下维持很长一段时间,但也可以发生合并。“我们所开发的新实验系统能够使我们研究这些液滴的进化及其可进化性等现象。这些液滴所具有的结构、功能,其可以形成的组合是无穷无尽的。 如果这些液滴形成的物理规律在自然中是普适的,我们希望也能够对一些其它类似的系统进行研究,以发现这些系统是否也可以形成具有崭新特性的微液滴。”Jia说。

尽管该团队目前专注于对生命起源的理解,但他们指出,这项基础研究的成果也很有可能在其它领域得到应用,比如药物输送和个性化用药。 地球生命科学研究所的团队成员Jim Cleaves说:“这只是当来自世界各地不同学科的科学家组成团队并一起尝试和理解有趣的新现象时,无意间发现项目新开发方式的一个好例子。”

【论文信息】
题目:“Membraneless polyester microdroplets as primordial compartments at the origins of life”
杂志:Proceedings of the National Academy of Sciences (2019)
DOI: 10.1073/pnas.1902336116

英文发布原文

供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部

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