КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ В ЛИПОСОМАХ

Естественно предложить, что, поскольку существующие клетки окружены мембраной, то давайте сделаем что-нибудь подобное искусственно. На первый взгляд, это сделать нетрудно. Действительно, оказалось, что из эмульсии липидов довольно легко спонтанно образуются липосомы, то есть такие пузырьки, которые окружены двухслойной липидной мембраной. Они способны к самопроизвольному росту путем поглощения новых молекул или мицелл липидов, а также к делению (после того, как липосома достигает определенного размера, она начинает самопроизвольно дробиться) (Szostak, Bartel, Luisi, 2001).

Более того, еще в 1995 г. было показано, что если внедрить в липосому РНК и Qβ-репликазу (это такой белок, который может реплицировать РНК, то есть синтезировать РНК на РНК-матрице и, таким образом, размножать РНК очень эффективно), то дробление липосом будет сопряжено с размножением РНК. Следовательно, новообразующиеся липосомы содержат и репликазу, и РНК (Oberholzer, 1995). Внешне это напоминает деление клеток.

Однако в этом направлении, когда используют липосомы как аналог клеток, есть ряд существенных проблем, которые до сих пор не решены и не позволяют сделать сборку клетки экспериментальным предметом.

Считается, что происхождение жизни стартовало с мира РНК, где все биохимические реакции осуществлялись рибозимами (Спирин, 2005). Шостак с соавторами отметили, что рибозимы имеют оптимальную активность в присутствии высоких концентраций двухвалентных катионов. Но в этих условиях липосомы агрегируют, что мешает их росту и делению (Szostak, Bartel, Luisi, 2001).

Но есть еще более серьезная проблема. Для того чтобы внутри липосомы происходил синтез ДНК, РНК и белков, необходимо, чтобы внутрь этого компартмента поступали субстраты, из которых все синтезируется — нуклеотиды, аминокислоты и другие низкомолекулярные компоненты.

С одной стороны, липидная мембрана изолирует клетку от окружающего пространства, не дает разбегаться высокомолекулярным компонентам, обособляет ее. В этом состоит ее положительный эффект. Но с другой стороны, мембрана является плохо преодолимым барьером для низкомолекулярных веществ, которые должны поступать в клетку снаружи. На рис. 1 показаны результаты экспериментов, которые авторы интерпретируют как доказательство проницаемости мембраны для низкомолекулярных компонентов (Mansy et al., 2008). Для меня же они являются свидетельством того, что проницаемость мембраны очень низка.

Если посмотреть, как спонтанно диффундируют через липидную мембрану нуклеотиды, то оказывается, что АТР (аденозинтрифосфат) совсем не диффундирует. Менее заряженные ADP (аденозиндифосфат) и AMP (адснозинмонофосфат) в присутствии ионов Mg^2: (который благодаря электростатическим взаимодействиям экранирует негативный заряд на нуклеотидс) транспортируются несколько лучше. Еще лучше транспортируется ImpA (фос-форимидазолид аденозина) — активированный аналог нуклеотида, который широко используют в качестве субстрата для неэнзима-тического синтеза нуклеиновых кислот. Из-за того, что у ImpA еще меньше величина негативного заряда, он легче диффундирует через лилидную мембрану.

Как проводился эксперимент? Нагружали липосомы нуклеотидами, отмывали то, что снаружи, а потом смотрели, с какой скоростью падает концентрация нуклеотидов внутри липосом. Соответственно, если нуклеотиды из липосомы ушли, то они пересекли липидную мембрану. На самом деле, это скорость выхода (или утечки) нуклеотидов из липосом по градиенту концентрации. Видно, что концентрация нуклеотидов внутри липосом падает наполовину в интервале от 10 до 20 часов (рис. 1). Таким образом, диффузия через мембрану происходит чрезвычайно медленно.

Рис. I. Липидная мембрана — барьер для обмена с окружающим раствором (по данным Mansy et al., 2008). Показано остаточное содержание нуклеотидов в липосомах. АТР — аденозин-5′-трифосфат, ADP — аденозин-5′-дифосфат, АМР — аденозин-5′-монофосфат, dAMP — 2′-дезоксиаденозин-5′-монофосфат, ImpA — фосфоримидазолид аденозина (рядом показана его структурная формула; В — азотистое основание аденин). Эксперимент проводили при 23 ⁰С. Другие пояснения см. в тексте.

Те же авторы (Mansy et al., 2008) сделали другой эксперимент, который они также интерпретировали как успешный. Если взять липосомы, нагруженные только матрицей и праймером (длиной 15 нуклеотидов), а снаружи липосом дать субстраты для синтеза РНК, то субстрат окажется внутри липосомы только путем спонтанной диффузии через липидную мембрану. Можно сравнить скорости неэнзиматического синтеза РНК внутри и снаружи липосомы. В каждом случае удается полностью прочитать матрицу длиной 15 нуклеотидов (если не считать 15-нуклеотидный праймер). Тем не менее, оказывается, что синтез внутри липосомы происходит в 4 раза медленнее, чем снаружи липосомы. То есть все-таки мембрана является препятствием и, по крайней мере, в четыре раза замедляет синтез РНК, а проникновение нуклеотидов через мембрану является скорость-лимитирующей стадией для всего процесса.

Необходимо также обратить внимание на то, что концентрация аналога нуклеотида в окружающем липосомы растворе была 5 мМ. Это очень высокая концентрация. Это такая концентрация нуклеотидов, которая только-только достигается внутри живых клеток (Ленинджер, 1976). Очень трудно представить, что в первичном бульоне, наполняющем мировой океан, концентрация нуклеотидов достигала таких значений. Более того, в данных экспериментах речь идет только о пассивной диффузии, здесь никакого нет активного накопления. Поэтому концентрация нуклеотидов в липосомах всегда заведомо ниже, чем в окружающем растворе. Непонятно, кто должен был насыщать океан нуклеотидами для того, чтобы в липосомах что-то худо-бедно синтезировалось. В общем, есть такая проблема, и очень серьезная.