Протекающая мембрана нашего предка отвечает на важные вопросы биологии

Результаты, опубликованные в журнале PLOS Biology, впервые предполагают, что у последнего универсального общего предка жизни (LUCA) была « протекающая » мембрана, которая помогает ученым ответить на два важнейших вопроса биологии:1. Почему все клетки используют один и тот же причудливый и сложный механизм для сбора энергии

2. Почему два типа одноклеточных организмов, образующих самую глубокую ветвь на древе жизни, — бактерии и археи — имеют совершенно разные клеточные мембраныГерметичность мембраны позволила LUCA получать энергию из окружающей среды, скорее всего, через вентиляционные отверстия глубоко на дне океана, удерживая при этом все остальные компоненты, необходимые для жизни.Команда смоделировала, как изменилась мембрана, что позволило потомкам LUCA перейти в новые, более сложные условия и развиться в два разных типа одноклеточных организмов, бактерии и археи, создавая самую глубокую ветвь древа жизни.

Бактерии и археи имеют много общих черт, таких как гены, белки и механизмы считывания ДНК, что изначально привело ученых к мысли, что они были просто разными типами бактерий. Их классификация изменилась в 1970-х годах после того, как были обнаружены крайние различия в способах репликации ДНК и в структуре их клеточной мембраны.

Поскольку оба они произошли от LUCA, ученые решили найти ответы в структуре и функциях мембраны LUCA.Доктор Ник Лейн (UCL Biosciences), который руководил исследованием, сказал: «Я считаю эту работу просто красивой — она ​​ограничивает последовательность шагов, идущих от странной клетки, которая, кажется, была прародительницей всей сегодняшней жизни, вплоть до глубин. деление между современными клетками.

Исходя из единой базовой идеи, модель может объяснить фундаментальные различия между бактериями и археями. Это правильно? Я бы хотел так думать, но, что более важно, она дает некоторые четкие прогнозы, которые мы планируем проверить в будущее."Данные исследования убедительно свидетельствуют о том, что LUCA жила в районе, где древняя морская вода, плотная с положительно заряженными частицами, называемыми протонами, смешивалась с теплой щелочной жидкостью, содержащей мало протонов.

Разница в концентрации протонов в этих двух средах позволяла протонам течь в клетку, стимулируя выработку молекулы под названием аденозинтрифосфат (АТФ), которая питала рост клеток, как это происходит сегодня.Однако, в отличие от современных клеток, ученые считают, что это могло произойти только в том случае, если мембрана была «дырявой», позволяя протонам самопроизвольно покидать клетку, чтобы большее количество протонов могло вступить в силу для роста.Д-р Лейн сказал: «В этих глубоководных жерлах непрерывный поток щелочных жидкостей, которые смешиваются с океанскими водами. Когда они смешиваются, жидкости нейтрализуют друг друга, и это останавливает любое накопление заряда, которое в противном случае могло бы предотвратить протоны протекают в клетку.

Если бы первые клетки имели протекающие мембраны, то протоны могли бы войти, а затем нейтрализоваться или уйти снова, почти как если бы барьера вообще не было. Мы показали, что скорость, с которой протоны входят и оставление достаточно велико, чтобы стимулировать рост клеток с помощью белков, встроенных в мембрану. Таким образом, LUCA могла работать за счет естественных протонных градиентов в вентиляционных отверстиях, но только если бы у нее была действительно проницаемая мембрана, в отличие от сегодняшних клеток ».Чтобы выбраться из этих отверстий на морском дне, LUCA пришлось адаптировать свою мембрану для выкачивания протонов из клетки, чтобы они снова вернулись внутрь, чтобы стимулировать производство АТФ.

Исследование предполагает, что бактерии и археи развили совершенно разные структуры клеточных мембран и протонные насосы, сохранив при этом один и тот же механизм для обеспечения роста. Это также объясняет, почему они различаются по фундаментальным характеристикам, зависящим от мембраны, таким как репликация ДНК.

Виктор Соджо (UCL CoMPLEX / Biosciences), первый автор исследования, сказал: «Использование градиентов универсально для всей жизни, но понимание того, как LUCA использовала один для стимулирования роста, дало нам небольшую проблему курицы и яйца: LUCA не не создавать градиент, если он не знал, как его использовать, но как он мог научиться использовать градиент, если он изначально не создавал его? Мы предполагаем, что естественные протонные градиенты обеспечивают решение, потому что LUCA не не нужно было делать градиент; он уже был там бесплатно. Мы показываем, что современные «непротекающие» мембраны должны были развиться позже, и они сделали это независимо у архей и бактерий.

Это объясняет, почему биоэнергетика мембран универсальна для архей и бактерий. бактерии, но ионные насосы и мембраны разные, что было большим неизвестным ».В своем следующем проекте доктор Лейн и его команда надеются воссоздать среду вентиляционных отверстий, которые, как полагают, были там, где четыре миллиарда лет назад спонтанно сформировались строительные блоки жизни, чтобы лучше понять, как молекулы ведут себя и взаимодействуют в таких условиях. условия.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *