Coacervates, Rain, and Chemical Evolution / Habr

На страницах этого блога я пару раз пытался говорить с вами о том, в чём заключается разница между биологическими и псевдобиологическими системами, то есть, между одноклеточной «жизнью» и «нежизнью». В частности, большой интерес вызвала статья «Вы, конечно, шутите, мистер Нейман! Страшная сказка о серой слизи» (+41, 11 тысяч просмотров). Также на Хабре есть отличная статья «Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций» в переводе уважаемого Дмитрия Диля @MetromDouble: в ней рассматриваются базовые биохимические предпосылки для возникновения альтернативной жизни, которая в оригинале называется «lyfe». В сегодняшней статье я хочу рассказать о современных взглядах на абиогенез, а именно о «суббиохимических» свойствах коацерватных капель. Интересную обзорную статью на эту тему опубликовал на сайте «Биомолекула» уважаемый Кирилл Вакулин, я же под катом рассмотрю, как дождевые капли могли поспособствовать возникновению жизни, и какую роль эти идеи играют сегодня при проектировании синтетических клеток.

Термин «коацерват» в переводе с латыни означает «собранный в кучу». Он был введён в научный оборот Александром Ивановичем Опариным не позже 1924 года. Коацерват — это многослойная вязкая жидкость, где неорганические коллоидные слои чередуются со слоями или вкраплениями биомолекул. В этой статье под «коацерватами» будут пониматься, прежде всего, коацерватные капли. Опарин полагал, что в первобытных водоёмах коацерватные капли стали переходным звеном, обеспечившим переход от абиогенеза к зарождению жизни. Сегодня гипотеза Опарина признана явно недостаточной и устаревшей, однако я предлагаю вам почитать статью о ней, подготовленную уважаемым Михаилом Орловым к столетию этой гипотезы.

Коацерваты — это капли внутри жидкости или коллоида, образующиеся из полимерных молекул с противоположными электрическими зарядами. Свойства коацерватов подробно изучены в коллоидной химии и науке о межфазных границах (interface science), а также в материаловедении. Но с биохимической точки зрения разделение жидкости на фазы или фракции с образованием коацерватных капель, по-видимому, непосредственно предшествует формированию немембранных органелл, которые в изобилии встречаются в животных клетках. Современная биохимия позволяет создавать в лабораторных условиях (in vitro) коацерваты различного состава, которые имитируют разные аспекты таких органелл: физические и химические свойства, селективность всасывания жидкостей, динамику формирования.

Классическая попытка создать искусственный «первичный бульон» в лабораторных условиях – это эксперимент Миллера-Юри, впервые поставленный Стэнли Миллером и Гарольдом Юри в Университете Чикаго в 1953 году.

Пропуская электрические разряды через газовую смесь, напоминающую по составу первобытную земную атмосферу, а также растворяя продукты реакций в тёплой воде, Миллер смог получить синильную кислоту (HCN), формальдегид (CH₂O) ацетилен (C₂H₂), а уже из них при дальнейших реакциях — аминокислоту глицин. В дальнейшем этот эксперимент неоднократно повторяли и корректировали — на Хабре об этом писал, в частности, уважаемый Арис Ефимович Ваулин @VAE. Тем не менее, общей проблемой этого эксперимента и его более поздних итераций является пока не преодолённый разрыв между биомолекулами и, собственно, жизнью. Биомолекулы, легко образующиеся в растворе, столь же легко и распадаются. В наше время интерес к исследованию коацерватов возрос во многом потому, что такие пузырьки могут изолировать от окружающей среды реагирующие в них молекулы, а также легче сливаются с другими коацерватами, чем выплёскиваются в окружающую среду. Это один из вариантов компартментализации (обособления органелл), которую в живом организме обеспечивает клеточная мембрана. Пока отсутствует общее мнение, какая естественная среда наиболее адекватно заменяет в таком качестве живую клетку, но, учитывая необходимую минерализацию и температуру, это могли быть как органические, так и неорганические среды, богатые полостями. Этот вопрос подробно рассмотрен на Хабре в статье «И в воде, и в камне» уважаемого @Dmytro_Kikot.  

Сегодня считается, что самыми ранними формами жизни были протоклетки, спонтанно сформировавшиеся на древней Земле из сложных органических молекул. Две основные составляющие протколетки — это матрикс, который позволял пузырьку поддерживать форму, и генетический материал (РНК), обеспечивавший функционирование протоклетки.

Развиваясь, протоклетки освоили репликацию, а также в них наладился обмен веществ. Протоклетки должны были формироваться в таких условиях, где им обеспечен стабильный приток энергии и защита от пересыхания – например, в «маленьком тёплом пруду» Дарвина в местности с активным вулканизмом. При этом критически важный шаг на пути к возникновению клетки — это обрастание пузырька мембраной.

Существует два подхода к выстраиванию эволюции клеточных мембран: восходящий и нисходящий. При нисходящем подходе берётся современная клетка и прослеживается её родословное древо. Так удалось выявить специфические последовательности, ведущие к универсальному общему предку (LUCA) всех ныне живущих организмов. Тем не менее, можно не сомневаться, что LUCA был довольно сложным организмом, напоминающим бактерию или архея, и от протоклеток до него был пройден долгий путь.

Вооружившись нисходящим подходом, мы не находим источника жизни, однако, весьма точно представляем, каков был минимальный биохимический набор, необходимый для её возникновения. Так, взгляды о вулканическом происхождении «маленького тёплого пруда» обусловлена тем, что для полноценного набора белков в «первичном бульоне» не обойтись без содержания серы. Также нисходящий подход помогает понять, какова связь между жирами и липидами, а ещё как могли естественным образом сформироваться нуклеотиды.

Восходящий подход связан с относительно новыми гипотезами «мира РНК» и «РНК-пептидного мира». Когда камера для химических реакций настолько невелика, что сравнима с размерами самих биомолекул, она становится похожа на живую клетку. В то же время, молекула РНК не только несёт генетическую информацию, но и может выступать катализатором — то есть, отчасти берёт на себя функции ферментов. В чисто теоретическом изложении подобную концепцию разрабатывал венгерский биолог Тибор Ганти, сформулировавший в начале 1950-х гипотезу о «хемотонах» и описавший их в книге «Az élet princípiuma» («Принципы жизни»). В частности, Ганти полагал, что такой «химический автомат» должен стремиться не только к размножению и поддержанию внутренней стабильности, но и к обособлению от окружающей среды — то есть, обрастать мембраной. Логично предположить, что до начала биологической эволюции уже существовала биохимическая эволюция, развивавшаяся, как минимум, по трём трекам: нуклеотидному, пептидному и липидному.

Суть гипотезы РНК-пептидного мира заключается в древней коэволюции РНК и пептидов. Короткие нуклеотидные цепочки и аминокислоты могли образовываться и полимеризоваться без участия ферментов только в очень небольших протоклетках, которые при этом могли бы сливаться друг с другом, не нарушая уже идущих биохимических реакций. Коацерватные капли очень хорошо подходят на роль таких первичных биологических пузырьков, поскольку смешиваются друг с другом и при этом не смешиваются с водой. Именно поэтому гипотеза Опарина, слишком примитивная для объяснения жизни, может помочь с описанием пребиотической эволюции.

Коацерваты и везикулы

Здесь представлены две разные модели протоклеток — везикулы и коацерваты.

Везикулы — это жиросодержащие пузырьки, напоминающие мыльные. Они состоят из липидов – жироподобных соединений, образующих тонкие слои-листы. Везикула формируется, когда такой лист самопроизвольно свёртывается в шарик, а в шарике оказываются заключены биомолекулы. Структурно везикула напоминает животную клетку, в которой нет ядра, а также нет мембраны, подобной клеточной. Клеточная мембрана состоит из специальных белков, обеспечивающих выборочное поступление молекул в клетку и из клетки в окружающую среду, а также отвечающих за межклеточную коммуникацию. У везикул аналогичные коммуникационные возможности не развиты, поэтому они не образуют ни тканей, ни «культур».

Коацерваты, в свою очередь, содержат одновременно пептиды и нуклеиновые кислоты. Эти вещества скапливаются в коацерватных каплях благодаря электрохимическим взаимодействием — например, благодаря электрохимическому контакту между молекулами с противоположным зарядом. Коацерватные капли представляются более вероятными кандидатами на роль протоклеток, так как в них присутствуют катализаторы биохимических реакций. Но собственная мембрана у них не формируется, поэтому коацерватам (в отличие от везикул) требуется дополнительный стабилизатор.  

Главный камень преткновения между химией коацерватов и биохимией заключается в том, что все коацерватные капли очень похожи друг на друга, так как слишком активно сливаются с другими коацерватными каплями и обмениваются молекулами.

Если в какой-то из капель возникает полезная мутация РНК, капля просто не успевает её закрепить, поскольку в течение считанных минут смешается с какой-то другой каплей. В такой среде отсутствует конкуренция, а значит – и эволюция (отбор). 

Дождь как стабилизатор протоклеток

В 2022 году в университете Чикаго группа учёных из Иллинойса и Миннесоты под руководством Амина Агравала провела ключевое исследование в духе Миллера-Юри. Согласно их гипотезе, коацерватные капли можно стабилизировать и не допускать их слишком быстрого перемешивания, если подмешивать их в  деионизированную воду – такую, которая не содержит растворённых металлических ионов. Капли, в свою очередь, ионы содержат. Расположенные на периферии каждой из капель полимеры с противоположными зарядами сближаются друг с другом и образуют ячеистый слой.

Далее к работе Агравала подключились Мэтью Тиррелл и Джек Шостак — лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 год, получивший её за исследование теломер. В частности, Шостак прославился тем, что совместно с Эндрю Мюрреем собрал искусственную дрожжевую хромосому.

В рамках описываемого опыта Агравал с коллегами вырастили в пробирках с деионизированной водой две разные популяции протоклеток, причём, экземпляры лишь из одной популяции содержали РНК. После смешивания протоклеток из обеих групп РНК сохранялась в пределах исходной популяции на протяжении нескольких дней. Стенки протоклеток были ячеистыми, но всё-таки удерживали нуклеиновую кислоту.

В качестве раствора использовалась дистиллированная лабораторная вода. Однако, поскольку уровень pH такой воды близок к нейтральному, а также в ней не содержится никаких примесей, она едва ли похожа на воду, существовавшую на пребиотической Земле. Согласно имеющимся моделям древней атмосферы, в ней доминировал азот, смешанный с различными кислотными примесями, в частности, соединениями серы. Кроме того, в результате вулканической активности атмосфера насыщалась углекислым газом. Агравал более двух лет пытался смоделировать раствор с нужной кислотностью, пока не вступил в коллаборацию с химиками из университета Хьюстона – и вместе они решили опробовать гениально простую идею. Что может быть больше похоже на доисторический дождь, чем дождь из современного мегаполиса, пропитанный смогом.

Соответствующее исследование было опубликовано в августе 2024 года в журнале Science Advances. Оказалось, что дождевая вода из Хьюстона вполне сносно обеспечивает целостность коацерватных капель (не даёт им слишком быстро сливаться друг с другом). Чтобы в этом убедиться, три популяции коацерватов с разными наборами РНК были помечены флуоресцентными красками, и под электронным микроскопом выглядели так:

Искусственные модели протоклеточных сетей и тканей

Ещё более амбициозные исследования, связанные с созданием искусственных протоклеток, ведутся в Китае. В конце 2023 года была опубликована работа, выполненная в основном силами Института химии китайской Академии Наук (профессор Цяо Янь), Пекинского университета химических технологий (Юань Линь) совместно со Стивеном Манном из Бристольского университета.  

Авторы этих исследований целенаправленно настраивают протоклетки, добиваясь в них имитации различных клеточных функций: химической сигнализации, морфологической дифференциации, экспрессии белков, запасания энергии. Такие культуры собирают из разных сортов коацерватов, которые не смешиваются друг с другом, но выстраиваются в последовательности и слои, форму и структуру которых можно заранее рассчитать. В рамках данного исследования коацерваты называются «микрокаплями».

Как видно на приведённой иллюстрации, такая протоклеточная структура спонтанно сортируется на упорядоченные слои жидкокристаллических коацерватов и неупорядоченных микрокапелек. Сцепление между коацерватами возникает благодаря поверхностной адгезии. Жидкокристаллические коацерваты селективно впускают в себя белки, полисахариды, липиды и АТФ. В то же время, в неструктурированных коацерватах концентрируются нуклеиновые кислоты. Соответственно, учёным удалось смоделировать две взаимопроникающие «ткани», одна из которых отвечает за биохимические реакции, а другая – за хранение генетического материала. Среда в коацерватах с РНК «спокойнее», чем в коацерватах с белками и прочими биомолекулами, поэтому РНК сохраняется лучше.

В таких культурах удалось смоделировать и значительно более сложные явления, в частности, изомеризацию под действием света, образование химических комплексов по модели «гость-хозяин», а также спонтанную сборку протоклеток в плоские листы, напоминающие зачаточные ткани. Таким образом, в течение 2020-х эти опыты показали возможные модели формирования как одноклеточной, так и многоклеточной биологии.

Заключение

Я заинтересовался этими исследованиями в основном в поисках ответа на вопрос, насколько правдоподобна гипотеза о «мире РНК» в свете современных представлений. Возможно, я когда-нибудь напишу об этой гипотезе отдельную статью. Но, если формирование подобных коацерватных взвесей действительно наблюдалось в древних пресных лужицах с pH, близким к нейтральному, то описанные здесь опыты и модели вполне адекватно описывают возможный абиогенез. Возможно, биологической эволюции в «тёплом пруду Дарвина» предшествовала длительная добиологическая эволюция, которая могла качнуться как в сторону мира нуклеиновых кислот, где живём мы, так и в сторону мира, в котором доминируют белковые молекулы и органические кристаллы. Был бы такой мир безжизненным? Сложный вопрос, однако, он мог навсегда застрять на стадии смешивающихся капелек, оставаясь при этом вполне жизнепригодным.