29 فوریه 2024توسط موسسه تحقیقاتی اسکریپس
تقریباً 4 میلیارد سال پیش، زمین در حال توسعه شرایط مناسب برای زندگی بود. دانشمندان منشأ حیات اغلب از خود می‌پرسند که آیا نوع شیمی یافت شده در زمین اولیه مشابه آنچه حیات امروزی نیاز دارد است یا خیر. آنها می‌دانند که مجموعه‌های کروی چربی‌ها به نام پروتوسل‌ها، پیش‌ساز سلول‌ها در طول این ظهور حیات بودند. اما چگونه ابتدا پروتوسل‌های ساده به وجود آمدند و متنوع شدند تا در نهایت منجر به حیات بر روی زمین شوند؟
اکنون، دانشمندان Scripps Research یک مسیر قابل قبول برای چگونگی شکل گیری و پیشرفت شیمیایی اولیه پروتوسل ها کشف کرده اند تا امکان تنوع عملکردها را فراهم کند.
این یافته ها که در 29 فوریه 2024 به صورت آنلاین در مجله Chem منتشر شد، نشان می دهد که یک فرآیند شیمیایی به نام فسفوریلاسیون (که در آن گروه های فسفات به مولکول اضافه می شود) ممکن است زودتر از آنچه قبلاً انتظار می رفت رخ داده باشد. این امر منجر به ایجاد پروتوسل‌های پیچیده‌تر و دو زنجیره‌ای می‌شود که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را در خود جای دهند و با طیف متنوعی از عملکردها تقسیم شوند. با آشکار ساختن پروتوسل‌ها، دانشمندان بهتر می‌توانند درک کنند که چگونه تکامل اولیه ممکن است رخ داده باشد.
رامانارایانان کریشنامورتی دکترا، نویسنده ارشد و استاد گروه شیمی در پژوهش اسکریپس. می‌گوید: “در برخی مواقع، همه ما تعجب می‌کنیم که از کجا آمده‌ایم. ما اکنون راهی قابل قبول کشف کرده‌ایم که فسفات‌ها می‌توانستند زودتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد در ساختارهای سلول‌مانند گنجانده شوند، که بلوک‌های سازنده زندگی را تشکیل می‌دهد.”
این یافته به ما کمک می کند تا محیط های شیمیایی زمین اولیه را بهتر بشناسیم تا بتوانیم منشأ حیات و چگونگی تکامل حیات در زمین اولیه را کشف کنیم.
کریشنامورتی و تیمش بررسی می‌کنند که چگونه فرآیندهای شیمیایی باعث ایجاد مواد شیمیایی ساده و تشکیلاتی می‌شوند که قبل از ظهور حیات در زمین پری‌بیوتیک وجود داشتند. کریشنامورتی همچنین یکی از رهبران ابتکار ناسا است که در مورد چگونگی ظهور حیات از این محیط های اولیه تحقیق می کند.
در این مطالعه، کریشنامورتی و تیمش با آزمایشگاه بیوفیزیکدان ماده نرم آشوک دنیز، دکترا، نویسنده ارشد و استاد در گروه زیست شناسی ساختاری و محاسباتی یکپارچه در تحقیقات اسکریپس همکاری کردند. آنها به دنبال بررسی اینکه آیا ممکن است فسفات ها در طول تشکیل پروتوسل ها دخیل بوده باشند یا خیر. فسفات ها تقریباً در هر واکنش شیمیایی در بدن وجود دارند، بنابراین کریشنامورتی گمان کرد که آنها ممکن است زودتر از آنچه قبلاً تصور می شد وجود داشته باشند.
دانشمندان فکر می‌کردند که پروتوسل‌ها از اسیدهای چرب تشکیل شده‌اند، اما مشخص نبود که چگونه پروتوسل‌ها از یک زنجیره به یک زنجیره دوگانه از فسفات‌ها تبدیل می‌شوند، که به آنها اجازه می‌دهد پایدارتر باشند و واکنش‌های شیمیایی را در خود جای دهند.
دانشمندان می خواستند شرایط قابل قبول پری بیوتیک را تقلید کنند – محیط هایی که قبل از پیدایش حیات وجود داشت. آنها ابتدا سه مخلوط احتمالی از مواد شیمیایی را شناسایی کردند که به طور بالقوه می توانند وزیکول ها، ساختارهای کروی لیپیدها شبیه به سلول های اولیه ایجاد کنند.
مواد شیمیایی مورد استفاده شامل اسیدهای چرب و گلیسرول (یک محصول جانبی رایج تولید صابون که ممکن است در اوایل زمین وجود داشته باشد) بود. سپس، واکنش‌های این مخلوط‌ها را مشاهده کردند و مواد شیمیایی اضافی برای ایجاد مخلوط‌های جدید اضافه کردند. این محلول ها در طول شب با مقداری تکان دادن سرد و گرم شدند تا واکنش های شیمیایی را افزایش دهند.
سپس از رنگ‌های فلورسنت برای بررسی مخلوط‌ها و قضاوت در مورد تشکیل وزیکول استفاده کردند. در موارد خاص، محققان همچنین pH و نسبت اجزاء را تغییر دادند تا درک بهتری از چگونگی تأثیر این عوامل بر تشکیل وزیکول داشته باشند. آنها همچنین تأثیر یون های فلزی و دما را بر پایداری وزیکول ها بررسی کردند.
سونیل پولتیکورتی، نویسنده اول، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کریشنامورتی، می‌گوید: «وزیکول‌ها در طول آزمایش‌های ما توانستند از یک محیط اسید چرب به یک محیط فسفولیپیدی تبدیل شوند، که نشان می‌دهد یک محیط شیمیایی مشابه می‌توانست 4 میلیارد سال پیش وجود داشته باشد.
به نظر می رسد که اسیدهای چرب و گلیسرول ممکن است برای ایجاد ساختار دو زنجیره ای پایدارتر، تحت فسفوریلاسیون قرار گرفته باشند. به طور خاص، استرهای اسید چرب مشتق شده از گلیسرول ممکن است منجر به ایجاد وزیکول هایی با تحمل متفاوت نسبت به یون های فلزی، دما و pH شده باشد که یک گام مهم در تنوع بخشیدن به تکامل است.
دنیز می گوید: «ما یک مسیر قابل قبول برای چگونگی ظهور فسفولیپیدها در طول این فرآیند تکاملی شیمیایی کشف کرده ایم. کشف این که چگونه شیمی اولیه ممکن است به حیات روی زمین تبدیل شده باشد، هیجان انگیز است. یافته های ما همچنین به انبوهی از فیزیک جالب اشاره می کند که ممکن است نقش های عملکردی کلیدی را در مسیر سلول های مدرن ایفا کرده باشد.
در مرحله بعد، دانشمندان قصد دارند بررسی کنند که چرا برخی از وزیکول‌ها به هم جوش می‌خورند در حالی که برخی دیگر تقسیم می‌شوند .
