Vesicle-surface-templated catalytic polymers drive differential growth in synthetic minimal cell variants
Diese Studie zeigt auf, dass Forscher durch die systematische Kombination verschiedener Template-Vesikel, katalytischer Polymere und Amphiphile synthetische minimale Zellvarianten erschufen, die distinkte, zusammensetzungsabhängige Wachstumsreaktionen aufweisen, welche eine mehrdimensionale Fitnesslandschaft abbilden, und damit einen physikochemischen Pfad hin zu evolvierbaren, sich selbst reproduzierenden künstlichen Zellen etablierten.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Leben in all seiner glanzvollen Komplexität beginnt mit einer einfachen Frage: Wie entstanden die ersten Lebewesen aus einer Suppe aus nichtlebenden Chemikalien? Wissenschaftler, die die Ursprünge des Lebens untersuchen, suchen nicht nur nach der ersten Zelle, sondern nach dem allerersten Moment, in dem eine Ansammlung von Molekülen begann, sich wie ein lebendes System zu verhalten. Sie versuchen zu verstehen, wie eine Gruppe von Chemikalien anfangen konnte zu wachsen, sich selbst zu kopieren und schließlich miteinander um das Überleben zu konkurrieren. Um diese Antworten zu finden, bauen Forscher „synthetische minimale Zellen“. Dies sind keine lebenden Organismen, sondern einfache, künstlich hergestellte Kompartimente aus Fetten, die winzige Bläschen bilden. Indem sie die komplexe Maschinerie der modernen Biologie weglassen, können Wissenschaftler testen, welche grundlegenden physikalischen Regeln ausreichen, damit ein Bläschen wächst, sich teilt und vielleicht sogar evolviert. Das Ziel ist es zu sehen, ob lebensähnliche Verhaltensweisen allein aus einfacher Physik und Chemie entstehen können, ohne dass die komplizierten Gene von Bakterien oder Menschen notwendig sind.
In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Forscher in Japan und der Schweiz einen bedeutenden Schritt nach vorn in diesem Bestreben gemacht, indem sie ein System schufen, in dem diese synthetischen Bläschen nicht nur wachsen konnten, sondern auch ausgeprägte „Persönlichkeiten“ entwickelten, die darüber entschieden, wie gut sie überlebten. Das Team begann mit winzigen Bläschen aus zwei verschiedenen Arten von Fetten. Dann beschichteten sie die Oberfläche dieser Bläschen mit einer speziellen Art von Polymer, einer langen Kette von Molekülen, die als Katalysator oder Helfer fungiert, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Die Forscher verwendeten zwei verschiedene Arten von Polymeren: eines aus Anilin und eines aus Pyrrol. Sie erstellten acht verschiedene Versionen dieser synthetischen Zellen, indem sie die zwei Arten von Bläschen mit den zwei Arten von Polymeren mischten.
Das Experiment bestand darin, diese synthetischen Zellen mit mehr Fetten zu füttern, die als Nahrung dienten. Die Forscher beobachteten genau, wie jede der acht Varianten reagierte. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Bläschen wuchsen nicht alle im gleichen Tempo oder auf die gleiche Weise. Einige Varianten wuchsen schnell und stetig, wenn man sie mit einer bestimmten Art von Fett fütterte. Andere wuchsen langsam. Einige wuchsen überhaupt nicht, und einige schrumpften tatsächlich, als würden sie aufgelöst werden. Entscheidend war, dass das Ergebnis vollständig von der spezifischen Kombination aus der ursprünglichen Zusammensetzung des Bläschens und dem auf seiner Oberfläche befindlichen Polymer abhing. Ein Bläschen, das bei einer bestimmten Art von Nahrung riesig wurde, konnte je nach angehängtem Polymer schrumpfen, wenn man ihm eine andere Art von Nahrung gab.
Dieses Verhalten war nicht zufällig. Die Forscher fanden heraus, dass das Wachstum einem vorhersagbaren Muster folgte, ähnlich der Art und Weise, wie Enzyme in unserem Körper arbeiten. Wenn die richtige Nahrung verfügbar war, wirkte das Polymer auf der Oberfläche des Bläschens wie ein Schlüssel, der die Fähigkeit freischaltete, die neuen Moleküle aufzunehmen und zu expandieren. Dieser Schlüssel funktionierte jedoch nur für bestimmte Arten von Nahrung. Die Studie zeigte, dass das Polymer nicht einfach jedes beliebige Fettenmolekül anzog, sondern spezifische erkannte. Um dies zu beweisen, versuchte das Team, andere gängige, positiv geladene Polymere zu verwenden, die nicht aus Anilin oder Pyrrol bestanden. Diese anderen Polymere konnten die Bläschen nicht wachsen lassen, obwohl sie ebenfalls positiv geladen waren. Dies bestätigte, dass das Wachstum nicht bloß das Ergebnis einer einfachen elektrischen Anziehung war, sondern ein sehr spezifisches chemisches „Händeschütteln“ zwischen dem Polymer und den Nahrungsmolekülen erforderte.
Die Forscher beobachteten auch, dass die Art und Weise, wie die Bläschen wuchsen, von der verwendeten Art des Polymers abhing. Wenn die Bläschen mit dem aus Anilin bestehenden Polymer beschichtet waren, wuchsen sie gleichmäßig und behielten ihre Form und Größe konsistent bei. Im Gegensatz dazu wuchsen die mit Pyrrol beschichteten Bläschen auf eine chaotischere Weise, wobei einige viel größer wurden als andere, was zu einem unordentlichen Mix aus Größen führte. Dies deutet darauf an, dass die spezifische chemische Natur des Polymers nicht nur bestimmt, wie schnell die Zelle wächst, sondern auch, wie geordnet dieses Wachstum ist.
Vielleicht am wichtigsten ist, dass die Studie offenbarte, dass es keine einzelne „beste“ Version dieser synthetischen Zellen gibt. Der Erfolg einer Variante hing völlig von der Umgebung ab. Eine Variante, die bei einem reichlichen Angebot einer bestimmten Art von Nahrung am schnellsten wuchs, konnte der schlechteste Performer sein, wenn diese Nahrung knapp war oder eine andere Art von Nahrung bereitgestellt wurde. Die Forscher beschrieben dies als eine „Fitnesslandschaft“, in der sich der Vorteil einer Variante gegenüber einer anderen verschiebt, basierend auf dem, was verfügbar ist, um gegessen zu werden. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung für die Evolution: Damit die natürliche Selektion funktionieren kann, müssen verschiedene Versionen eines Organismus je nach ihrer Umgebung unterschiedliche Überlebenschancen haben.
Indem sie ein System schufen, in dem die Identität der Zelle (die Kombination aus Bläschen und Polymer) mit ihrer Fähigkeit zu wachsen verknüpft ist, haben die Forscher eine Plattform geschaffen, die die frühesten Schritte der Evolution nachahmt. Sie zeigten, dass diese einfachen, nichtlebenden Systeme ihre Eigenschaften von ihren Eltern erben, um Ressourcen konkurrieren und unterschiedlich auf ihre Umgebung reagieren können. Obwohl dies keine lebenden Zellen sind, demonstrieren sie einen klaren Pfad von der einfachen Chemie hin zu der Art von differenziertem Wachstum, das schließlich zur Vielfalt des Lebens führt. Die Studie legt nahe, dass, wenn man ein System hat, in dem die Struktur eines Kompartiments bestimmt, wie es Energie sammelt, und wenn diese Struktur kopiert werden kann, dann ist die Bühne bereitet für einen Prozess, bei dem die erfolgreichsten Versionen überleben und sich vermehren, angetrieben rein durch die Gesetze der Physik und Chemie.
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