чего не было у коацерватов
Естествознание.ру
Коацервация и коацерваты
Коацервацией называется процесс расслоения коллоидного раствора на богатый коллоидными веществами жидкий осадок и свободную от коллоидов жидкую среду. Этот осадок, или коацерват, представляет собой жидкое тело, отделенное от окружающей его среды очень резкой гранью. Подобно этим коацерватам, протоплазма клеток пропитана водой и имеет жидкую консистенцию. Но, так же как и коацерваты, капелька ее при помещении в воду не смешивается с последней, а образует шарик, ясно ограниченный от окружающего его раствора.
До появления коацерватов все органические вещества были как бы слиты с массой окружающей их жидкой водной среды. После образования коацерватов органические вещества сконцентрировались в ее определенных точках, причем между средой и коацерватом всегда имелась резкая граница.
Всякое живое существо так же более или менее резко обособлено от внешней среды, в результате чего между ними устанавливаются сложные взаимоотношения, носящие название обмена веществ. В зачаточном виде такой обмен веществ был свойственен и первичным комплексным коацерватам. Обладая способностью адсорбировать различные вещества из окружающего их раствора, коацерваты могли разрастаться за счет этих веществ.
Появившись, коацерваты эволюционировали. Другими словами, эволюция коацерватов привела к появлению на земле простейших первых организмов.
Эти первичные организмы могли существовать и расти только в результате адсорбции и усвоения (т. е. ассимиляции) органических веществ, растворенных в окружающей их водной среде. Таким образом, способность к питанию органическими веществами возникла раньше способности организмов превращать неорганические соединения в органические вещества. Первичные простейшие организмы были, следовательно, организмами гетеротрофными. Аутотрофные организмы появились позднее, так как для этого способа питания необходимо наличие высоко дифференцированных структур, возникших уже на основе длительной эволюции живых организмов. Это относится как к зеленым аутотрофам, так и ко всем видам организмов, способных к хемосинтезу.
Что касается диссимиляции, то самым древним ее способом является маслянокислое, а затем молочнокислое и спиртовое брожения. Способность к кислородному дыханию, так же как и к аутотрофному питанию, появилась, очевидно, позднее.
Чего не было у коацерватов
Никто не отыщет удачно природу вещи в самой вещи — изыскание должно быть расширено до более общего.
В 1970 г. в издательстве «Наука» вышла моя небольшая книжка «Биотический круговорот». В предисловии я охарактеризовал ее как попытку наведения порядка в «мыслительном хозяйстве» научного работника, занимающегося биологией более 40 лет. Книжка быстро разошлась, вызвав многочисленные отклики.
По-видимому, в наше время — время научно-технической революции — особенно усилилась потребность в синтетических исследованиях. Огромный фактический материал, накопленный различными биологическими дисциплинами, требует новых подходов, новых точек зрения, новых понятий. Ясно, что новые подходы, а тем более новые понятия, возникают не сразу. Кроме того, решение подобной задачи не под силу одному исследователю. Многих из тех, кто пытается идти по этому пути, ожидают и разочарования, и неудачи. Но, однако, идти надо! Английский философ-материалист Ф. Бэкон справедливо говорил: «Ведь опасность не совершить попытку и опасность испытать неудачу не равны. Ибо в первом случае мы теряем огромные блага, а во втором — лишь небольшую человеческую работу».
Представление об эволюции биосферы родилось не сразу. Ему предшествовал длительный период становления эволюционных идей. Развитие научной теории эволюции органического мира началось с появления трудов Дарвина.
В ходе развития дарвинизма ясно наметилось несколько периодов. Вторая половина XIX в. прошла под флагом борьбы за дарвинизм как материалистическую теорию эволюции. Наряду с английским биологом Т. Хаксли и немецким эволюционистом Э. Геккелем большую роль в отстаивании и развитии дарвинизма сыграли русские биологи К. А. Тимирязев, братья А. О. и В. О. Ковалевские, И. И. Мечников.
Следующий период, начавшийся с конца прошлого века, характеризуется проникновением эволюционных идей в конкретные биологические дисциплины. Процесс этот не шел гладко. Почти в каждой дисциплине можно проследить острую борьбу передовых материалистических представлений с идеалистическими воззрениями. В эмбриологии возродился воинствующий витализм, в палеонтологии и сравнительной анатомии появились многочисленные разновидности идеализма. Зародившаяся в начале нашего века генетика первоначально заняла позиции антидарвинизма: преувеличивалось значение внезапных наследственных изменений (мутаций) и отрицалась роль естественного отбора, высказывались идеи о возможности эволюции при постоянстве наследственных факторов.
Проникновение материалистических эволюционных идей в конкретные науки произошло в основном лишь в первой трети нашего столетия. Велика заслуга советских ученых, всегда выступавших в первых рядах борцов за материалистическую эволюционную теорию. Талантливые ученики Н. К. Кольцова: С. С. Четвериков, А. С. Серебровский, М. М. Завадовский, Б. Л. Астауров, Н. П. Дубинин, школы академиков Н. И. Вавилова, В. Н. Сукачева, А. Н. Северцова, А. И. Опарина, а также биологи, связавшие свои исследования с практикой сельского хозяйства, И. В. Мичурин и М. Ф. Иванов сделали очень много для подведения эволюционного фундамента под конкретные исследования.
К 40-м годам во всех биологических науках накопился огромный фактический материал, в той или иной мере конкретизирующий общие положения эволюционной теории. Возникла задача синтеза многочисленных и весьма разрозненных исследований. В Советском Союзе эту титаническую работу осуществил И. И. Шмальгаузен, за рубежом — английский биолог Дж. Хаксли. Были заложены основы учения о факторах, путях и закономерностях эволюционного процесса.
С возникновением синтетической теории эволюции начался третий период в развитии эволюционных идей, прекрасно охарактеризованный К. М. Завадским (1971).
Эволюционные представления всегда отражали уровень развития производительных сил общества. Низкому уровню, экстенсивным формам ведения сельского хозяйства соответствовала идея постоянства органических форм, их независимости друг от друга. Когда возникла необходимость интенсификации сельского хозяйства, побуждаемая потребностями роста товарной продукции, реальными единицами хозяйственной деятельности стали порода и сорт. Только тогда появилась теория эволюции видов. «Социальный генезис учения Дарвина можно проследить во всех деталях»[1], — писал Н. И. Вавилов.
Эволюционное учение по мере развития начинает оказывать всевозрастающее влияние на практику выведения новых пород и сортов культурных животных и растений. В результате «селекция на наших глазах превращается в научную дисциплину, изучающую проблемы эволюции управляемой человеком, другими словами, становится экспериментальной эволюцией»[2].
Таким образом, третий период в развитии эволюционной теории характеризуется не только синтезом огромного фактического материала, накопленного различными биологическими дисциплинами, но и четкой формулировкой практической задачи — целенаправленного преобразования пород и сортов сельскохозяйственных организмов. Человеческое сознание становится важным фактором эволюции этой группы живых существ.
В процессе преобразующей деятельности создатели новых пород и сортов первоначально обращали внимание лишь на немногие виды, доставляющие продукты питания и сырье для промышленности или в той или иной степени вредящие производству. Подобное ограничение объекта воздействия в действительности оказывалось лишь кажущимся. Виды в природе не существуют изолированно друг от друга. И потому, преобразуя, казалось бы, лишь отдельные формы, творцы новых пород и сортов всегда имели дело со сложными комплексами организмов, связанных между собой теснейшими взаимозависимостями. Следовательно, в процессе селекции осуществлялось не только сознательное преобразование отдельных видов, но и не вполне сознаваемая перестройка отношений между разными видами. В результате возникли вредители сельскохозяйственных культур, злостные сорняки и т. п.
Такая же перестройка происходила (и тоже помимо воли человека) при развитии промышленности, транспорта, строительстве городов.
Более 100 лет тому назад, в канун появления основного труда Дарвина, К. Маркс и Ф. Энгельс писали: «. Определенное отношение к природе обусловливается формой общества, и наоборот. Здесь, как и повсюду, тождество природы и человека обнаруживается также и в том, что ограниченное отношение людей к природе обусловливает их ограниченное отношение друг к другу, а их ограниченное отношение друг к другу — их ограниченное отношение к природе, и именно потому, что природа еще почти не видоизменена ходом истории. »[3]
В настоящее время природа, в частности органический мир, претерпевает в результате хозяйственной деятельности общества колоссальные видоизменения.
Время «ограниченного отношения человека к природе», о котором писали К. Маркс и Ф. Энгельс, безвозвратно ушло. «. человеческое общество все более выделяется по своему влиянию на среду. Это общество становится в биосфере. единственным в своем роде агентом, могущество которого растет с ходом времени со все увеличивающейся быстротой. Оно одно изменяет новым образом и с возрастающей быстротой структуру самих основ биосферы», — писал основатель биогеохимии В. И. Вернадский[4].
Иначе говоря, человек всем ходом хозяйственной деятельности определяет направление эволюции биосферы и собственной биологической эволюции. Переживаемая нами научно-техническая революция неизбежно оказывается и революцией всей биосферы.
Биология в лицее
Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation
Согласно гипотезе, выдвинутой Опариным, жизнь зародилась на Земле, а не привнесена из космоса.
В своей работе Опарин подчеркивал, что первые предшественники организмов ( протобионты ) в ходе ряда химических и физических процессов (этап химической эволюции), происходивших на протяжении длительного времени в условиях молодой планеты, приобрели свойства организмов. После этого начался этап борьбы за существование и отбора живых существ в соответствии с закономерностями, выявленными Ч. Дарвином (этап биологической эволюции).
Великой заслугой А. И. Опарина является создание теории эволюции живой материи. Ее основные идеи: первоначально жизнь возникла в Мировом океане как результат химической эволюции (т.е. абиогенно); развитие живой материи и появление большого разнообразия форм жизни произошли в процессе биологической эволюции (т.е. биогенно), которая стала вторым, начавшимся после химической эволюции, важнейшим этапом развития жизни в истории Земли. В дальнейшем А. И. Опарин неоднократно уточнял и углублял свои идеи, подкрепляя их новыми исследовательскими материалами.
Какие же условия были на Земле в то время, когда возникли первые организмы?
Согласно современным научным данным, Земля образовалась примерно 4,5–7 млрд. лет назад из скопления газов и холодных (замерзших) пылевых частиц, состоявших из металлов и других химических элементов, окружавших формирующуюся молодую звезду – Солнце. Вначале Земля была газообразной и холодной, но по мере сжатия пылевых облаков, под действием гравитации и под влиянием тепла от распада радиоактивных элементов ее недра сгущались, разогревались и расплавлялись. При этом захороненные внутри планеты газы выделились наружу и образовали первичную газовую атмосферу формирующейся Земли.
Первичная атмосфера по своему составу сильно отличалась от современной: в ней присутствовало значительное количество водорода, были молекулы воды (в виде пара), углекислого газа, метана и аммиака. Свободного кислорода в земной атмосфере не было. Образовавшаяся Земля обладала достаточно большой массой, что позволяло ей удерживать в своем окружении газы. В то же время она находилась на таком расстоянии от Солнца, чтобы получаемого количества энергии хватало для поддержания воды в жидком состоянии.
Условия возникновения жизни на Земле
Накопление органических веществ превратило воды Мирового океана в своего рода бульон, содержавший смесь различных органических молекул. Эти молекулы, находясь близко друг от друга и вступая между собой в различные взаимодействия, создавали более сложные соединения. Так случалось бесчисленное количество раз в течение очень длительного времени, исчисляемого миллиардами лет. Среди множества образовавшихся соединений возникали отдельные сложные молекулы, в том числе белки, липиды, нуклеиновые кислоты, сахара и др., которые затем могли стать «живой» молекулярной системой в виде клетки, существующей в водной среде.
Предположение о том, что в водах Мирового океана было растворено большое количество органических веществ, получило подтверждение в ряде экспериментов, проведенных учеными в наше время.
1. Образование простых органических веществ. В 1953 г. С. Миллер и Г. Юри, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды), синтезировали в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза).
2. Образование сложных органических веществ. Испанский учёный Х. Оро (1960) осуществила биогенный синтез пуринов, пиримидинов, рибозы и дезоксирибозы – компонентов нуклеиновых кислот. Американские учёные абиогенно синтезировали АТФ – основную форму накопления энергии в живых организмах (С. Поннамперума,1970), а также аминокислоты, полипептиды и белковоподобные вещества (С. Фокс, 1969).
3. А. И. Опарин считал, что главная роль в превращении органических веществ в организме принадлежит белкам, так как они способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе воду и тем создающие вокруг себя своеобразную оболочку. Другие ученые полагают, что помимо белков большую роль в создании комплексов играли нуклеиновые кислоты. Такие комплексы благодаря диффузии могли слипаться и сливаться друг с другом, удаляя лишнюю воду. Этот процесс был назван ученым коацервацией, а сами белковые комплексы – коацерватными каплями или коацерватами. Со временем у коацерватов появилась оболочка и они оказались способными к поглощению веществ, богатых энергией, и благодаря этому – к увеличению массы и размеров. Однако опыты, проведенные рядом ученых, подтверждают лишь саму возможность таких процессов в те далекие времена.
Коацерваты представляли собой первые «организации» молекул.
Увеличиваясь в размере, коацерваты разделялись на более мелкие частички – так был обозначен путь размножения первичных живых организмов. Для поддержания устойчивости коацерватам была нужна энергия, которая, по–видимому, была представлена различными химическими связями. Устойчивость некоторых коацерватов обеспечивала им сохранение и существование. Возможно, именно такие устойчивые структуры со временем (а этот процесс длился миллионы лет) и дали начало первым живым организмам в виде живой клетки, где нуклеиновые кислоты установили первичный контроль над основными внутриклеточными процессами, в том числе и такими, как питание, рост и размножение. Ученые считают, что эти первые формы жизни на Земле появились примерно 3500–3900 млн лет назад.
5. Возникновение первых клеток. В результате длительной эволюции и естественного отбора пробионты превратились в системы более высокого порядка, какими являются живые организмы. Вероятнее всего первыми организмами были гетеротрофные прокариотические клетки.
Итак, идею, выдвинутую А. И. Опариным, коротко можно выразить следующим образом:
Жизнь на Земле прошла длительный путь эволюции химических веществ: из неорганических веществ образовались сложные органические вещества. Накопление их в течение миллиардов лет в океанах обеспечило возможность сложным молекулам концентрироваться в коацерваты, которые стали основой появления элементарных первичных организмов.
Не все еще понятно в самом моменте перехода от сложных органических веществ в коацерватной капле к живой клетке, но ясно, что эта эволюция продолжалась несколько миллионов лет. Экспериментально пока еще не воспроизведен момент, когда сложная молекулярная система становится «живой системой». Поэтому идеи, высказанные Опариным, Холдейном, Берналом и другими учеными, называют гипотезой, а не теорией, так как она еще требует своего доказательства.
Наши предки, ваши предки тоже были. протоклетки!
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Проблема происхождения простейших форм жизни из неживой материи путем ее самосборки под действием внешних факторов среды традиционно привлекала внимание многих исследователей из различных областей науки. Несмотря на значительный прогресс в понимании механизмов абиогенного синтеза органических веществ, нерешенной задачей на сегодняшний день остается воспроизведение в лабораторных условиях самопроизвольного перехода от набора этих веществ к примитивной организованной системе, называемой протоклеткой. Эта система должна, с одной стороны, обладать минимальным набором биологических свойств, таких как способность к росту, размножению и обмену веществ с окружающей средой, но при этом состоять из простых веществ, доступных в условиях ранней Земли. Интерес к созданию модельных протоклеток в последние годы неуклонно возрастает, что позволяет надеяться на то, что уже в ближайшем будущем мы станем счастливыми свидетелями реконструкции этого ключевого объекта в истории нашей планеты.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Протоклетка и искусственная клетка — в чем разница?
В эпоху синтетической жизни [1] искусственными клетками уже никого не удивить, а разнообразие конструкций, претендующих на почетное звание модели клетки, приближается к многообразию самих биологических клеток. При этом у создателей таких моделей есть два основных подхода. Один из них («top-down») предполагает создание минимальной клетки, содержащей набор только самых необходимых компонентов для поддержания ее жизнеспособности. Примером такой конструкции является искусственная клетка, полученная в Институте Дж. Крейга Вентера путем пересадки минимального синтетического генома в клетку микоплазмы [2].
Альтернативный подход («bottom-up») основан на использовании процессов самосборки сложных надмолекулярных систем на основе молекулярных «кирпичиков». При этом создатели синтетических клеток не ограничены в выборе исходного материала, что создает широкое разнообразие комбинаций вплоть до чисто неорганических клеток с полупроницаемой мембраной на основе полиоксометаллатов. Такие клетки были впервые синтезированы в лаборатории профессора Ли Кронина (Lее Cronin) в Университете Глазго и названы автором iCHELLs (inorganic chemical cells; рис. 1). Они представляют собой капсулы с пористой неорганической мембраной, способной избирательно пропускать молекулы определенного размера, катализировать окислительно-восстановительные реакции, а при наличии встроенных молекул красителя даже улавливать свет, преобразуя его в химическую энергию [3]. Однако эти структуры в большей степени напоминают примитивные модели типа клеток Траубе, сделанные на основе осадочных коллоидных мембран, вырастающих самопроизвольно при внесении кристаллика соли в раствор силиката натрия.
Рисунок 1. Неорганические искусственные клетки Л. Кронина (iCHELLs).
Задача же синтеза протоклетки как организованной системы, промежуточной между живым и неживым объектом, по понятной причине решается только с применением «bottom-up» подхода. При этом исследователи существенно ограничены в выборе исходного строительного материала набором веществ, доступных и распространенных в условиях первичной Земли. Поэтому в большинстве работ в качестве протоклеток обычно рассматриваются фосфолипидные везикулы, липосомы или мембранные пузырьки на основе жирных кислот [4]. Примером таких систем могут являться протоклетки, полученные группой под руководством Нобелевского лауреата Джека Шостака (Jack Szostak) из Гарвардской медицинской школы. Однослойные мембраны этих клеток, собранные из простейших амфифильных молекул высших жирных кислот, способны пропускать внутрь активированные нуклеотиды, обеспечивая репликацию фрагментов ДНК внутри везикулы (рис. 2). Также протоклетки Шостака демонстрируют медленный рост за счет поглощения питательных веществ из окружающего раствора и деление при достижении критического объема капсулы [5].
Рисунок 2. Схематическое изображение процессов роста и деления протоклеток, полученных группой Дж. Шостака.
Однако несмотря на свою привлекательность в качестве простейших систем, обеспечивающих репликацию первичного генетического материала, у этих протоклеток, равно как и у большинства их аналогов, отсутствует достаточно развитая система внутренней саморегуляции, обеспечивающая согласованное протекание хотя бы самых простейших обменных процессов. Именно эта «пассивность» микрокапсул в дальнейшем вдохновила ряд исследователей на создание альтернативных многофункциональных моделей протоклеток на основе разнообразных заменителей липидной оболочки. Среди них группа исследователей из университета Бристоля под руководством профессора Стивена Манна (Stephen Mann), работающих в Центре исследования протобиологических систем, за последние пять лет достигла наиболее впечатляющих результатов в этом направлении.
Коацерваты Опарина снова в моде
Первым шагом на пути создания правдоподобных моделей протоклеток было исследование процесса формирования обособленных капель при смешивании растворов полимеров с противоположным знаком заряда. Эти микрокапли, названные коацерватами, начиная с работ А.И. Опарина, рассматривались как модельные предбиологические структуры. Та же самая идея ионной самосборки полиэлектролитов была положена С. Манном в основу создания безмембранных моделей протоклеток. В качестве «стройматериала» им были использованы олигопептиды и олигонуклеотиды. Полученные на их основе структуры демонстрировали способность поглощать различные красители, наночастицы и ферменты, причем активность последних возрастала при встраивании их в коацерват за счет снижения величины диэлектрической проницаемости внутри капель по сравнению с окружающей водной средой [6].
Аналогичные пористые коллоидные микросферы, обладающие вдобавок еще и фотокаталитической активностью, были получены на основе дипептидов и порфиринов. Эти структуры рассматривались авторами как простейшие модели фотосинтезирующих протоклеток [7]. Очевидным недостатком таких моделей является отсутствие у них мембранной оболочки, обеспечивающей избирательную проницаемость и устойчивость всей системы к воздействию факторов внешней среды, а также неспособность их к делению. Поэтому следующим шагом в развитии моделей протоклетки стало получение коацерватов с мембранной оболочкой на основе жирных кислот. Этот подход позволил соединить достоинства везикулярных моделей Д. Шостака и коацерватных систем А.И. Опарина и добиться не только избирательного пропускания малых молекул через мембрану, но также роста и деления этих образований при изменении концентрации окружающего солевого раствора [8].
Ломаем стереотипы: безлипидные мембраны
В последующих работах удачной альтернативой привычным фосфолипидам и жирным кислотам, используемым для построения мембран протоклетки, стали полимер-белковые наноконъюгаты. Самосборка этих амфифильных комплексов на границе вода/масло дает однослойную полупроницаемую мембрану, обладающую регулируемой каталитической активностью. В полученные системы удалось даже поместить все компоненты, необходимые для внеклеточной экспрессия гена зеленого флуоресцентного белка (еGFP), и осуществить его синтез in vitro (рис. 3, 4) [9].
Рисунок 3. Схема получения протеиносом на базе полимер-белковых конъюгатов [9].
Рисунок 4. Полимер-белковые протоклетки в процессе экспрессии гена eGFP [9].
Аналогичные по составу модели протоклеток с различными ферментами в составе полимер-белковой мембраны оказались способными осуществлять целый каскад ферментативных реакций на своей поверхности, имитируя тем самым работу метаболона — комплекса ферментов, расположенных рядом на цитоплазматической мембране и ответственных за ускорение конкретной последовательности метаболических процессов [10].
Коллоидосомы вместо липосом
Дальнейшее развитие идеи о безлипидных мембранах привело к созданию гибридных органо-неорганических протоклеток на основе коллоидосом. Эти системы представляют собой водные микрокапли, стабилизированные оболочкой из неорганических коллоидных частиц кремнезема размером около 30 нм (рис. 5). Такие неорганические микрокапсулы с коацерватным ядром внутри способны не только к избирательному пропусканию веществ из внешней среды в зависимости от их размеров и заряда, но и к регулированию активности помещенных внутрь них ферментов (в частности, щелочной фосфатазы) за счет изменения вязкости содержимого микрокапсулы [11]. Помимо этого, внутри таких протоклеток удалось организовать самосборку нановолокон полимерного гидрогеля, формирующих сетчатую структуру, аналогичную цитоскелету и способную регулировать активность встроенных внутрь нее ферментов [12].
Рисунок 5. Схема получения коллоидосом — органо-неорганических протоклеток [11].
Экзотическим вариантом неорганической мембраны, предложенной для коацерватного ядра, стала оболочка из крупных полиядерных анионов полиоксометаллатов (тех самых, которые ранее использовал Л. Кронин для создания своих iCHELLs). В полученные таким методом протоклетки удалось инкапсулировать различные красители, ферменты, одноцепочечную молекулу ДНК и даже магнитные наночастицы (рис. 6). Более того, заключенные в такую оболочку ферменты (глюкозооксидаза и пероксидаза) оказывались надежно защищенными от протеолитических ферментов, атакующих и расщепляющих их в водном растворе. Различные «популяции» протоклеток с разными ферментами внутри легко обеспечивали согласованное протекание каскада ферментативных реакций в растворе за счет диффузии субстратов и продуктов окисления через полупроницаемую неорганическую мембрану [13].
Рисунок 6. Схема синтеза протоклетки с оболочкой из полиоксометаллата [13]. подпись
Несмотря на столь комплексное и многофункциональное поведение, успешно имитирующее работу примитивной живой клетки, такие гибридные системы еще далеки от настоящей протоклетки. Причиной тому, во-первых, является сложность синтеза неорганической коллоидной мембраны в водной среде, а также использование синтетических полимеров для ее стабилизации, весьма далеких от тех, которые могли быть получены в условиях ранней Земли.
Неорганические протоклетки — легко!
И наконец, вершиной «эволюции» модельных протоклеточных систем стала неорганическая протоклетка. Конечно, необходимо сразу оговориться, что собственно неорганической является только ее мембранная оболочка из коллоидных частиц, тогда как все модельные биохимические процессы протекают в ней с участием самых обычных белков, нуклеотидов и кофакторов, поступающих из окружающего раствора. Модификация коллоидной мембраны рН-зависимым полимером позволяет контролировать ее проницаемость для различных ионов и каталитическую активность встроенного внутрь клетки фермента. Кроме того, разность потенциалов на неорганической мембране является источником энергии для протекания биосинтетических процессов [14]. В довершение всего, синтетические неорганические протоклетки способны благополучно расти и делиться за счет отпочковывания небольших по размеру микрокапель от материнской коллоидосомы (рис. 7) [15].
Рисунок 7. Микрофотографии неорганических протоклеток в процессе деления [15].
Если пофантазировать и дальше, легко представить себе коацерваты из чисто неорганических полиэлектролитов (например, полифосфатов, которые часто рассматриваются как функциональный аналог АТФ в древнем метаболизме), заключенные в неорганическую же коллоидную мембрану. Такие мембраны, полученные из свежеосажденных солей переходных металлов в условиях щелочных гидротермальных источников первичного океана, активно предлагаются рядом авторов на роль полупроницаемых каталитически-активных оболочек для первичных метаболических процессов. Работы в этом направлении пока находятся на стадии развития, и очень хочется надеяться, что о них тоже когда-нибудь напишет Nature Chemistry. Но это будет уже совсем другая история*.
* — Ну а пока почитайте историю про «химические сады» и про сценарий возможной химической эволюции на дне океанов, в горячих минеральных источниках: «К вопросу о происхождении жизни» [16]. — Ред.
Для интереса посмотрите также короткую лекцию одного из создателей сайта «биомолекула» Чугунова Антона под названием «Что было в начале?», прочитанную в «Клубе нерешенных вопросов» Политехнического музея 27 октября 2015 года.