Vesicle-surface-templated catalytic polymers drive differential growth in synthetic minimal cell variants
Deze studie toont aan dat door systematisch verschillende template-vesikels, katalytische polymeren en amfifielen te combineren, onderzoekers synthetische minimale celvarianten hebben gecreëerd die onderscheidende, compositieafhankelijke groeireacties vertonen die een meerdimensionaal fitnesslandschap in kaart brengen, waardoor een fysisch-chemisch pad naar evolueerbare, zelfreproducerende kunstmatige cellen wordt gevestigd.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Het leven, in al zijn schitterende complexiteit, begint met een eenvoudige vraag: hoe ontstonden de eerste levende wezens uit een soep van niet-levende chemicaliën? Wetenschappers die de oorsprong van het leven bestuderen, zoeken niet alleen naar de eerste cel, maar naar het allereerste moment waarop een verzameling moleculen begon te gedragen als een levend systeem. Ze proberen te begrijpen hoe een groep chemicaliën kon beginnen met groeien, zichzelf te kopiëren en uiteindelijk met elkaar te concurreren voor overleving. Om deze antwoorden te vinden, bouwen onderzoekers "synthetische minimale cellen". Dit zijn geen levende organismen, maar eenvoudige, door mensen gemaakte compartimenten van vetmoleculen die kleine bellen vormen. Door de complexe machinerie van de moderne biologie weg te strippen, kunnen wetenschappers testen welke basisprincipes van de fysica voldoende zijn om een bel te laten groeien, te delen en misschien zelfs te evolueren. Het doel is om te zien of levensechte gedragingen louter uit eenvoudige fysica en chemie kunnen ontstaan, zonder dat daar de ingewikkelde genen voor nodig zijn die in bacteriën of mensen worden gevonden.
In een recente studie hebben onderzoekers in Japan en Zwitserland een belangrijke stap voorwaarts gezet in deze zoektocht door een systeem te creëren waarin deze synthetische bellen niet alleen konden groeien, maar ook onderscheidende "persoonlijkheden" konden ontwikkelen die bepaalden hoe goed ze overleefden. Het team begon met kleine bellen gemaakt van twee verschillende soorten vetmoleculen. Vervolgens bekleedden ze het oppervlak van deze bellen met een speciaal type polymeer, een lange keten van moleculen die fungeert als een katalysator, of een helper, om chemische reacties te versnellen. De onderzoekers gebruikten twee verschillende soorten polymeren: één gemaakt van aniline en een andere gemaakt van pyrrool. Ze creëerden acht verschillende versies van deze synthetische cellen door de twee soorten bellen te mengen met de twee soorten polymeren.
Het experiment hield in dat deze synthetische cellen werden gevoed met meer vetmoleculen, die dienden als voedsel. De onderzoekers volgden nauwlettend hoe elke van de acht varianten reageerde. De resultaten waren opmerkelijk. De bellen groeiden niet allemaal even snel of op dezelfde manier. Sommige varianten groeiden snel en gestaag wanneer ze gevoed werden met een specifiek type vetmolecuul. Anderen groeiden langzaam. Sommige groeiden helemaal niet, en een paar krompen zelfs, waarbij ze hun omvang verloren alsof ze werden opgelost. Cruciaal was dat de uitkomst volledig afhing van de specifieke combinatie van de oorspronkelijke samenstelling van de bel en het polymeer op het oppervlak. Een bel die enorm groot werd bij het eten van het ene type voedsel, kon krimpen bij het eten van een ander type, afhankelijk van welk polymeer er aan vastzat.
Dit gedrag was niet willekeurig. De onderzoekers ontdekten dat de groei een voorspelbaar patroon volgde, vergelijkbaar met hoe enzymen in ons lichaam werken. Wanneer het juiste voedsel beschikbaar was, fungeerde het polymeer op het oppervlak van de bel als een sleutel, die de mogelijkheid ontgrendelde om de nieuwe moleculen te absorberen en uit te breiden. Deze sleutel werkte echter alleen voor specifieke soorten voedsel. De studie toonde aan dat het polymeer niet zomaar elk vetmolecuul aantrok; het herkende specifieke moleculen. Om dit te bewijzen, probeerde het team ook andere veelvoorkomende, positief geladen polymeren te gebruiken die niet van aniline of pyrrool waren gemaakt. Deze andere polymeren slaagden er niet in de bellen te laten groeien, ook al waren ze eveneente positief geladen. Dit bevestigde dat de groei niet het resultaat was van eenvoudige elektrische aantrekking, maar een zeer specifieke chemische handdruk vereiste tussen het polymeer en de voedselmoleculen.
De onderzoekers observeerden ook dat de manier waarop de bellen groeiden afhing van het gebruikte type polymeer. Wanneer de bellen waren bekleed met het polymeer gemaakt van aniline, groeiden ze uniform, waarbij ze hun vorm en grootte consistent hielden binnen de groep. In contrast hiermee groeiden bellen bekleed met het polymeer gemaakt van pyrrool op een meer chaotische manier, waarbij sommigen veel groter werden dan anderen, wat leidde tot een rommelige mix van groottes. Dit suggereert dat de specifieke chemische aard van het polymeer niet alleen bepaalt hoe snel de cel groeit, maar ook hoe ordelijk die groei is.
Misschien wel het belangrijkste is dat de studie onthulde dat er geen enkele "beste" versie van deze synthetische cellen bestaat. Het succes van een variant hing volledig af van de omgeving. Een variant die het snelst groeide bij een rijke voorraad van het ene type voedsel, kon de slechtste presteerder zijn als dat voedsel schaars was of als er een ander type voedsel werd aangeboden. De onderzoekers beschreven dit als een "fitnesslandschap", waarbij het voordeel van de ene variant boven de andere verschuift op basis van wat er beschikbaar is om te eten. Dit is een fundamentele vereiste voor evolutie: voor natuurlijke selectie te kunnen werken, moeten verschillende versies van een organisme verschillende overlevingskansen hebben, afhankelijk van hun omgeving.
Door een systeem te creëren waarin de identiteit van de cel (de combinatie van bel en polymeer) gekoppeld is aan het vermogen om te groeien, hebben de onderzoekers een platform gebouwd dat de vroegste stappen van de evolutie nabootst. Ze toonden aan dat deze eenvoudige, niet-levende systemen hun eigenschappen kunnen erven van hun ouders, kunnen concurreren om middelen en verschillend kunnen reageren op hun omgeving. Hoewel dit geen levende cellen zijn, demonstreren ze een duidelijk pad van eenvoudige chemie naar het soort differentiële groei dat uiteindelijk leidt tot de diversiteit van het leven. De studie suggereert dat als je een systeem hebt waar de structuur van een compartiment bepaalt hoe het energie verzamelt, en als die structuur gekopieerd kan worden, het podium is bereid voor een proces waarbij de meest succesvolle versies overleven en zich vermenigvuldigen, gedreven door louter de wetten van de fysica en chemie.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.