在地球上出現生命之前，環境中可能包含有大量的化學物質，它們彼此之間近乎隨機地發生反應，目前尚不清楚複雜的細胞是如何從這種化學混沌中產生的。現在，由東京工業大學地球生命科學研究所的Tony Jia和馬來西亞國立大學的Kuhan Chandru領導的科研團隊透過研究表明，簡單的α-羥基酸（如羥基乙酸酸和乳酸）在適宜溫度下乾燥並重新浸潤時，會自發聚合並自組裝成聚酯小滴。這種現象可能正和原始海灘及河岸或乾燥水坑中發生的情況一樣。它們形成了一種新型的細胞分隔室，可以擷取以及濃縮核酸和蛋白質等生物分子。與大多數現代細胞不同，這些小液滴很容易發生融合和重組，因此可以催生出可能對生命起源至關重要的早期遺傳和代謝系統。
圖1. 含有螢光染料的異質聚酯小滴(圖片提供：地球生命科學研究所Tony Jia)
地球上的所有生命都是由細胞組成的。細胞由脂質、蛋白質和核酸組成，其中脂質形成的細胞膜可以將其他成分保持在一起，並與環境接觸與交流，以交換食物和排泄物。但是，和細胞一樣複雜的分子組裝體最初到底是如何形成的依然是一個謎。大多數生命起源研究都聚焦於環境如何產生生命相關的分子，隨後如何將其組裝成支撐起細胞的結構。然而，在早期地球上，很可能還有許多其他類型的分子與生物分子同時形成，生命也許是從與現代生物分子無關的非常簡單的化學分子開始的，然後經過越來越複雜的程序不斷演變而形成了現代細胞中所發現的結構。
地球生命科學研究所的前期工作表明，在隕石以及很多生物前化學類比中發現的被稱爲α-羥基酸的簡單有機化合物，在適宜溫度下乾燥會自發地將其自身聚合成聚酯的混合物。在這項工作的基礎上，Jia及其同仁又進行了進一步的分析。他們在顯微鏡下仔細觀察了這些反應，發現這些混合聚酯階層形成了凝膠相，並在重新浸潤以形成簡單細胞狀結構時自發組裝了起來。
圖2. α-羥基酸單體經乾燥後形成聚酯凝膠，隨後經過再潤濕後形成微液滴的組裝。（圖片：地球生命科學研究所）
這項工作最大的挑戰在於設計新方法來表徵液滴的特性和功能，因爲以前從來沒有人分析過這種階層。Jia指出，能夠擁有多種學科領域的專家，其中包括化學家、生物化學家、材料科學家和地質學家，對該研究團隊來說是件十分幸運的事。該團隊首先測量了這些細胞結構的穩定性，發現它們可以在某種環境條件下維持很長一段時間，但也可以發生合併。「我們所開發的新實驗系統能夠使我們研究這些液滴的演化及其可演化性等現象。這些液滴所具有的結構、功能，其可以形成的組合是無窮無盡的。 如果這些液滴形成的物理可用能規律在自然中是普適的，我們希望也能夠對一些其它類似的系統進行研究，以發現這些系統是否也可以形成具有嶄新特性的微液滴。」Jia說。
儘管該團隊目前專注於對生命起源的理解，但他們指出，這項基礎研究的成果也很有可能在其它領域得到應用，比如藥物運送和個性化用藥。 地球生命科學研究所的團隊成員Jim Cleaves說：「這只是當來自世界各地不同學科的科學家組成團隊並一起嘗試和理解有趣的新現象時，無意間發現專案新開發方式的一個好例子。」
【論文資訊】
題目：「Membraneless polyester microdroplets as primordial compartments at the origins of life」
雜誌：Proceedings of the National Academy of Sciences (2019)
DOI: 10.1073/pnas.1902336116
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
