До сих пор является загадкой то, как могла произойти жизнь из неживого набора химических веществ. До тех пор пока мы не будем уверены, какое химическое вещество существовало на пребиотической стадии развития Земли, мы только можем изучать биомолекулы, существующие на сегодняшний день, которые могут подсказать нам, что произошло три миллиарда лет тому назад.

В наши дни исследователи используют набор этих биомолекул, чтобы продемонстрировать один из путей, по которому жизнь могла зародиться. Исследователи обнаружили, что такие молекулярные машины, которые сегодня существуют в живых клетках, не способны на большие свершения, если полагаются исключительно на себя. Но как только исследователи добавляют липофильные реагенты, образующие некоторое подобие клеточной мембраны, это способствует тому, что химические реагенты сближаются достаточно близко для реакции в высокоспецифической манере.

Такая форма самоорганизации является удивительной, и понимание того, как она происходит, может стать ключом к пониманию, как образовалась жизнь на земле, и возможно как она могла бы образоваться на других планетах.

Нобелевская премия 1987 года была вручена химикам за демонстрацию того, как сложные молекулы выполняют в клетке строго определенные функции. Одним из способов поведения этих молекул является самоорганизация, в ходе которой различные химические реагенты собираются вместе из-за многих сил, оказывающих влияние на них, и в итоге становятся молекулярными машинами, способными к решению еще более сложных задач. Каждая живая клетка богата этими молекулярными машинами.

Паскуале Стано (Pasquale Stano) из Университета Рома Тре вместе с коллегами заинтересовался применением информации о самоорганизации для исследования происхождения жизни. Для упрощения, исследователи выбрали молекулярные машины, которые отвечают за синтез белка. Эта молекулярная система включает 83 различных молекулы, включая ДНК, которая запрограммирована на выработку особого типа зеленого флуоресцентного белка [special green fluorescent protein (GFP)], который можно наблюдать с помощью конфокального микроскопа.

Молекулярная машина может производить белки, только когда ее компоненты-молекулы достаточно близки друг к другу для взаимодействия. Когда молекулярную машину разбавляют водой, молекулы больше не могут взаимодействовать. Это одна из причин того, почему внутреннее пространство живых клеток является переполненным, сконцентрированным местом – это для того, чтобы позволить химии жизни выполнять свою работу.

С целью воссоздания молекулярной скученности Стано добавил к разбавленному раствору 1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфохолин (POPC). Алифатические молекулы такие как POPC не смешиваются с водой и при их помещении в воду они автоматически образуют липосомы. Липосомы имеют очень схожую мембранам живых клеток структуру, и они широко используются для изучения эволюции клеток.

Стано сообщает, что многие из этих липосом позволяют собираться отдельным молекулам в молекулярные машины. Однако самым примечательным результатом, полученным Стано, является то, что по 5 липосом из каждой тысячи собирают и организуют имеют все 83 молекулы, необходимые для выработки белка. Эти липосомы производят большое количество GFP и светятся зеленым светом под микроскопом.

Компьютерные вычисления показывают, что даже случайно 5 липосом из 1000 не смогли бы уловить все 83 молекулы для создания молекулярной машины. Вычисленная исследователями вероятность образования даже одной такой липосомы фактически равна нулю. Тот факт, что любые липосомы образовывались, и что вырабатывался GFP, означает, что происходит что-то совершенно уникальное.

Стано с коллегами пока не понимают, почему такое происходит. Это может быть даже случайным процессом, что лучше объяснит статистическая модель. Возможно, что эти конкретные молекулы, взятые для эксперимента, подходят для самоорганизации такого типа потому, что они уже значительно продвинулись в химической эволюции. На следующем этапе работы необходимо понять, будут ли вести себя так похожие по структуре молекулы, но все же менее сложные.

Независимо от условий эксперимент Стано впервые показал, что самоорганизация в простые клетки может быть неминуемым физическим процессом. Выяснение того, как именно происходит эта самоорганизация, будет означать совершение значительного шага к пониманию того, как зародилась жизнь.