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世界上第一个细胞可以“简陋”到什么程度?

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世界上第一个细胞可以“简陋”到什么程度?

发布日期:2018-05-30 作者: 点击:

研究人员发现一类简单的 “化学活性液滴 ”可以在生长到细胞大小后自发分裂。

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来自德国的物理学家和生物学家合作发现,在早期地球的原生汤中,一种拥有简单分裂机制的液滴也许能够演化为活细胞。(在地球早期,简单的无机分子在地热等能量触发下发生化学反应,生成核酸、氨基酸等有机物,这些有机物溶解于早期“海洋”中形成的水溶性体系就是原生汤。)

研究生命起源的科学家赞扬了这一想法的极简性。如果真是这样,生命的形成可比想象中简单多了!

生命起源之谜的关键在于第一个细胞是如何从其原始形态中诞生的。“原细胞”究竟是什么,又如何具备了生命力?“膜起源(membrane-first)假说 ”的拥护者认为,这个过程首先需要脂肪酸膜的出现,构成生命的化学物质被捕捉到膜内,并孕育出更复杂的生命活动。但问题是,膜系统这样复杂的结构如何才能获取自我复制和繁殖的能力,从而允许演化的发生?

早在1924年,前苏联生化学家Alexander Oparin就提出了另外一种假说:生命起源于一锅热滚滚的原生汤,神秘的原细胞就是其中的液滴。这些自然生成、不具有膜结构的液滴构成了集中化学物质、发生化学反应的“培养皿”。

近年研究表明,P颗粒和中心体等“液滴”在现代细胞中存在并行使重要生理功能,这使得被遗忘已久的液滴起源假说重新得到了审视。然而,Oparin和其他人都无法解释这些液滴究竟是如何繁殖、生长、分裂并演化为第一个细胞的。

德国马普研究所David Zwicke 及其同事的新工作给出了可能的答案。他们研究了“化学活性液滴(化学物质在周围液体和液滴内反复进出)”的物理行为,发现这些液滴在生长到细胞大小后会发生分裂。这种行为与我们的常识并不一致。例如,我们常常看到水中的油滴相互融合,变得越来越大,但却并不会分裂。

这项研究的参与者之一,生物物理学家Frank Jülicher 表示,如果化学活性液滴能够在生长到特定大小后自发分裂,那么“生命在原生汤中自发出现的说法就更为可信”。

这一发现发表于2016年12月的 Nature Physics,论文用化学活性液滴的生长、分裂行为来解释细胞繁殖,描绘了生命起源的可能图景。

莱顿大学理论生物物理学家 Luca Giomi 表示,新图景比原细胞分裂的其他可能机制简单得多,是一个很有希望的研究方向。

然而,膜起源假说的拥护者,加州大学圣克鲁兹分校的生化学家 David Deamer 则声称新发现的机制固然有趣,但与生命起源间的关系还有待检验,毕竟这和现代细胞分裂的多步骤复杂过程大相径庭。

从变形虫到斑马,丰富多彩的现代生命真是由简单的自分裂液滴演化而来?熟悉这项新工作的研究人员对此信心十足。正在进行的后续研究中,他们尝试用合成高分子仿制液滴来模拟活细胞中的功能性液滴,并观测其如何生长和分裂。在此之后,他们还希望观察到天然的生物液滴以同样的方式发生分裂。

普林斯顿大学生物物理学家 Clifford Brangwynne 是2009年首次发现亚细胞液滴(秀丽隐杆线虫细胞中包含蛋白质和 RNA 的微量液体聚集,即 P 颗粒)的团队成员之一。他解释道,如果液滴的生长和自发分裂是细胞演化的遗迹,那么亚细胞液滴的存在也就显得理所当然了。就像携带自身 DNA 的线粒体由感染细胞并与宿主发展出共生关系的古细菌演化而来,我们在活细胞中看到的液相凝聚也可能是原细胞的“化石残留”。新论文对原细胞液滴的特征进行描述,将这一领域的研究提升到了新的层次。

自分裂液滴

故事要从 2009 年讲起。那年,Brangwynne 及其同事揭示了秀丽隐杆线虫生殖系细胞(可分裂为精子和卵细胞)中“P 颗粒(P granules)”的本质。在细胞分裂过程中,研究人员观察到 P 颗粒会发生生长、缩小,或以扩散方式穿过细胞。在发表于 Science 上的论文中,他们表示细胞中的 P 颗粒就是液滴。这激起了一波类似的新研究,其他一些亚细胞结构也相继被确认为液滴。

没过多长时间,Brangwynne 和 Tony Hyman 就将他们的发现与 Oparin 的原细胞理论联系在一起。在 2012 年发表于 The Origin of Life 的论文中,Brangwynne 和 Hyman 写道,Oparin 理论中的液滴“也许现在还完好地存活在我们的细胞中,就像苍蝇镶嵌在琥珀中一样”。

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当秀丽隐杆线虫生殖系细胞分裂时,P颗粒(绿色)在将会变成精子/卵细胞的子细胞中富集(上),而在另一个子细胞中溶解(下)。图片来源:Clifford Brangwynne /Science

Oparin 最著名的工作是提出了一个假设,认为早期地球上的雷击和地热活动触发了生命起源所需的有机大分子合成。后来,这一假设又由英国科学家 John Haldane 独立提出,并在二十世纪五十年代通过 Miller-Urey 实验成功证实。

Oparin 还提出,由大分子聚集成的液滴可能就是原细胞(细胞的最原始形态)。但这个想法不那么有名,部分原因在于他并不清楚这些液滴是如何繁殖和演化的。而 P 颗粒研究组的成员们也同样无法回答这一问题。

在 2009 年的发现之后,Jülicher 向他的学生 Zwicker 提出了一项新任务:研究中心体的物理行为。中心体参与动物细胞分裂,它们的行为看起来同样很像液滴。

Zwicker 利用具有“化学活性”的非平衡系统来模拟中心体,持续不断地使其中的蛋白质分子循环进出液体细胞质。在他的模型中,这些蛋白质有两种化学态:处于 A 态的蛋白质可溶于周围液体;处于 B 态的蛋白质则无法溶解,会在细胞质中聚集成液滴。有时,处于 B 态的蛋白质会自发转换为 A 态,流出液滴;而外加能量能够触发反向转换,使处于 A 态的蛋白质克服化学障碍,转换为 B 态。当无法溶解的蛋白质撞向液滴时,它就像雨滴落入湖中那样,轻而易举地融入其中。因此,只要存在外加能量源,蛋白质分子就能流进或流出活化液滴。对于早期地球而言,阳光提供了这种驱动力。


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