Forskare vid Earth-Life Science Institute i Tokyo har genom experiment visat att upprepad frysning och upptining kan ha drivit tillväxten och sammansmältningen av primitiva celliknande strukturer på den tidiga jorden. Vesiklar tillverkade med vissa lipider smälte samman till större avdelningar och behöll DNA mer effektivt under dessa cykler. Resultaten tyder på att isiga miljöer spelade en roll för livets uppkomst.
Ett team lett av Tatsuya Shinoda vid Earth-Life Science Institute (ELSI) på Institute of Science Tokyo skapade stora unilamellära vesiklar (LUVs) med hjälp av tre typer av fosfolipider: POPC, PLPC och DOPC. Dessa modellprotoceller efterliknade enkla avdelningar som omslöt organiska molekyler på den antika jorden. Forskarna utsatte dem för upprepade frys-töcykler för att simulera tidiga miljöförhållanden. Shinoda förklarade: 'Vi använde fosfatidylkolin (PC) som membrankomponenter tack vare deras kemiska strukturella kontinuitet med moderna celler, potentiella tillgänglighet under prebiotiska förhållanden och förmåga att behålla essentiellt innehåll.' Efter tre cykler klustrades POPC-rika vesiklar men smälte inte samman helt, medan de med PLPC eller DOPC smälte samman till större strukturer. Ju mer PLPC som fanns, desto större blev sammansmältningen. Natsumi Noda noterade: 'Under påfrestningarna av iskristallbildning kan membran bli destabiliserade eller fragmenterade, vilket kräver strukturell omorganisering vid upptining. Den löst packade laterala organisationen på grund av den högre graden av omättnad kan exponera fler hydrofoba regioner under membranrekonstruktion, vilket underlättar interaktioner med närliggande vesiklar och gör sammansmältning energimässigt fördelaktig.' PLPC-vesiklar fångade och höll även DNA bättre än POPC-vesiklar, både före och särskilt efter cyklerna. Sammansmältning möjliggjorde blandning av innehåll, vilket potentiellt möjliggör komplex kemi. Studien föreslår isiga miljöer med frys-töcykler som en vagga för liv, vid sidan av traditionella platser som hydrotermala ventiler. Tomoaki Matsuura, huvudforskare, avslutade: 'Ett rekursivt urval av frys-tö-inducerade vesiklar över på varandra följande generationer kan förverkligas genom att integrera klyvningsmekanismer såsom osmotiskt tryck eller mekanisk skjuvning. Med ökad molekylär komplexitet kan det intravesikulära systemet, det vill säga genkodad funktion, i slutändan ta över den protocellulära anpassningsförmågan, vilket leder till uppkomsten av en primordial cell kapabel till darwinistisk evolution.' Forskningen publiceras i Chemical Science.
