הניצוץ הראשון של החיים הסלולריים על פני כדור הארץ נזקק כנראה לאריזת מתנה.
תן לי להסביר. עם החגים מעבר לפינה, כולנו מתחילים להזמין מתנות. כל אחד ארוז בקפידה בתוך קופסה או מעטפה עטופה בבועות וממוען למשלוח. ללא אריזה, פריטים היו מתנפלים יחד בבלגן כאוטי ומפספסים את יעדם.
הכימיקלים המוקדמים של החיים היו, במובן מסוים, כמו ה"מתנות" הללו. הם צפו מסביב במרק קדמון, ויצרו בסופו של דבר את המולקולות הארוכות יותר המרכיבות את החיים כפי שאנו מכירים אותם. אך ללא "עטיפה" שכופפת אותם באריזות בודדות, מולקולות שונות התנגשו זו בזו אך לבסוף נסחפו משם, והחמיצו את הקשרים הדרושים כדי להצית חיים.
במילים אחרות, "עטיפות" תאיות, או קרומי תאים, הן המפתח לאריזת המנגנון המולקולרי של החיים יחד. עשויות ממולקולות שומניות, העטיפות הללו הן הבסיס של התאים שלנו והבסיס לחיים הרב-תאיים. הם מרחיקים חיידקים ופתוגנים אחרים תוך הפעלת המנגנונים הביולוגיים המפעילים תפקודים תאיים תקינים.
מדענים התלבטו זמן רב כיצד נוצרו קרומי התא הראשונים. קשה היה למצוא את אבני הבניין שלהם, שומנים ארוכי שרשרת, בכדור הארץ המוקדם. מולקולות שומניות קצרות יותר, לעומת זאת, היו בשפע. עַכשָׁיו,מחקר חדשבכימיה של הטבעמציע גשר בין מולקולות שומניות קצרות אלו לבין התאים הקדמוניים הראשונים.
בראשותו של ניל דווארג' מאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, הצוות שידל מולקולות שומניות קצרות לבועות שיכולות להכיל מולקולות ביולוגיות. לאחר מכן הצוות הוסיף מולקולות RNA מודרניות כדי להניע תגובות כימיות בתוך הבועות - וראה את התגובות פועלות, בדומה לאלו בתא מתפקד.
קרומי התא המהונדסים התנגדו גם לריכוזים גבוהים של חומרים שנמצאים בשפע בשלוליות כדור הארץ המוקדמות שעלולות לפגוע בשלמותם, להגן על נושאים מולקולריים של מידע גנטי ולאפשר להם לעבוד כרגיל.
הפרוטוקולים שהתקבלו הם האחרונים לחקור את. כדי להיות ברור, הם מחקים רק חלקים של תאים חיים רגילים. אין להם את המנגנון המולקולרי לשכפל, והעטיפות שלהם בסיסיות בהשוואה לשלנו.
אבל התוצאה ה"מרתקת" "פותחת שדרה חדשה" להבנה כיצד הופיעו התאים הראשונים, שרף מנסי מאוניברסיטת טרנטו, שלא היה מעורב במחקר,סיפר מַדָע.
בהתחלה
מקורן של מולקולות החיים נתון במחלוקת רבה. אבל רוב המדענים מסכימים שהחיים נבעו משלושה עיקריים: DNA, RNA וחומצות אמינו (אבני הבניין של חלבונים).
כיום, ברוב האורגניזמים, ה-DNA מאחסן את השרטוט הגנטי, וה-RNA נושא את המידע הגנטי הזה למפעלי ייצור החלבון של התא. אבל וירוסים רבים אוגרים גנים רק ב-RNA, ומחקרים על חיים מוקדמים מצביעים על כך ש-RNA עשוי היה להיות הנשא הראשון של תורשה. RNA יכול גם לעורר תגובות כימיות - כולל כאלה שמדביקות חומצות אמינו לסוגים שונים של חלבונים.
אבל בלי קשר לאיזו מולקולה הגיעה ראשונה, "כל החיים על פני כדור הארץ דורשים ממברנות שומניות", כותבים מחברי המאמר החדש.
עשוי משכבה כפולה של מולקולות שומניות, קרום התא המודרני הוא יצירת אמנות. זוהי ההגנה הראשונה מפני פולשים חיידקיים וויראליים. הוא גם מנוקד ב"מנהרות" חלבון שמכווננות את הפונקציות של תאים - למשל, עוזרות לתאי מוח לקודד זיכרונות או לתאי לב לפעום מסונכרן. דפנות תא חיים אלו פועלות גם כפיגומים לתגובות ביוכימיות המכתיבות לרוב את גורל התאים - אם הם חיים, מתים או הופכים ל"תאים זומבים" התורמים להזדקנות.
מכיוון שהם כה חשובים לביולוגיה, מדענים תהו זמן רב כיצד נוצרו קרומי התא הראשונים. מה הרכיב את "המבנה הראשון, דמוי קרום התא הקדמון על כדור הארץ לפני הופעת החיים?" שאלו המחברים.
ממברנות התא שלנו בנויות על שרשראות ארוכות של שומנים, אך לאלה יש מבנים כימיים מורכבים ודורשים מספר שלבים לסינתזה - כנראה מעבר למה שהיה אפשרי בכדור הארץ הקדום. לעומת זאת, קרומי הפרוטו-תא הראשונים נוצרו ככל הנראה ממולקולות שכבר קיימות, כולל חומצות שומן קצרות שהתארגנו בעצמן.
בחזרה לעתיד
בעבר, הצוות מצא חומצת אמינו ש"מחברת" חומצות שומן יחד. המולקולה, שנקראת ציסטאין, הייתה נפוצה ככל הנראה במרק הקדמון של הפלנטה שלנו. בסימולציה ממוחשבת, הוספת ציסטאין לחומצות שומן קצרות גרמה להן ליצור ממברנות סינתטיות.
המחקר החדש התבסס על התוצאות הללו במעבדה.
הצוות הוסיף ציסטאין לשני סוגים של שומנים קצרים וצפה בחומצת האמינו אוספת את השומנים לבועות תוך 30 דקות. הליפידים היו דומים באורכם לאלו שסביר להניח שהיו על כדור הארץ הקדום, והריכוזים המולקולריים גם חיקו את אלה במהלך התקופה.
לאחר מכן, הצוות הסתכל מקרוב עם מיקרוסקופ אלקטרונים. הממברנות שנוצרו היו עבות בערך כמו אלו בתאים רגילים ויציבות מאוד. לבסוף, הצוות הדמה תרחיש היפותטי של כדור הארץ מוקדם שבו RNA משמש כחומר הגנטי הראשון.
"השערת עולם ה-RNA מקובלת כאחד התרחישים הסבירים ביותר של מקור החיים", כתבו המחברים. הסיבה לכך היא חלקית כי RNA יכול לשמש גם כאנזים. אנזימים אלה, המכונים ריבוזימים, יכולים לעורר תגובות כימיות שונות, כמו, למשל, אלו שעלולות לתפור חומצות אמינו ושומנים לבועות. עם זאת, הם צריכים צמד מינרלים - סידן ומגנזיום - כדי לעבוד. בעוד שמינרלים אלה היו ככל הנראה בשפע בכדור הארץ המוקדם, במקרים מסוימים, הם עלולים לפגוע בממברנות תאים מלאכותיות.
אבל בכמה בדיקות, הפרוטוקולים שגדלו במעבדה עמדו בקלות בהתקפת המינרלים. בינתיים, הפרוטוקולים הראו שהם יכולים ליצור תגובות כימיות באמצעות RNA, מה שמצביע על כך שמולקולות שומניות קצרות יכולות לבנות קרומי תאים במרק הקדמוני.
בעיני קלאודיה בונפיו מאוניברסיטת קיימברידג', המחקר היה "ממש ממש מגניב ועשוי היטב". אבל מסתורין החיים נותר בעינו. רוב חומצות השומן שנוצרות בפרוטו-תא אינן נמצאות בממברנות התא המודרניות. השלב הבא יהיה להראות שהפרוטו-תאים יכולים לפעול יותר כמו תאים רגילים - גדלים ומתחלקים עם חילוף חומרים בריא.
אבל לעת עתה, הצוות מתמקד בפענוח. העבודה מראה שתגובות בין כימיקלים פשוטים במים יכולות "להיכנס לכתמים ענקיים", להרחיב את הדרכים שבהן קרומי פרוטו-תא יכולים להיווצר, הם כתבו.
קרדיט תמונה:מקס קליינןעַלUnsplash
