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世界上第一个细胞可以“简陋”到什么程度?

发布者:膜结构      发布时间:2019-01-15

(原标题:世界上第一个细胞可以“简陋”到什么程度?)

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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