Esisolu

Esisolu on tutkijoiden kuvittelema solua muistuttava varhainen rakenne, josta elävät solut kehittyivät. Esisolut eivät kyenneet tuottamaan monia tarvitsemia ravinteitaan itse. Vuoden 2009 alkuun mennessä ei ole onnistuttu tuottamaan toimivaa esisolua, jossa tapahtuisi suuri joukko elämän vaatimia kemiallisia reaktioita ja muita tapahtumia.

Esisolujen uskotaan evoluutioteoriassa edeltäneen bakteerien ja arkkien tyyppisiä varhaisia esitumallisia. Esisolun uskotaan olleen pisara, jossa oli nukleiinihappoja, proteiineja, lipidejä ja muita vastaavia elämälle välttämättömiä molekyylejä. Silloin se olisi muistuttanut suurta liposomia. Esisolujen uskotaan kehittyneen kemiallisen evoluution kautta varhaisiksi tumattomiksi eli esitumallisiksi.

Yleiskatsaus

Lokeroituminen oli tärkeä osa elämän syntyä. Kalvot tuottavat suljettuja lokeroita, jotka ovat eristettyjä ympäristöstä ja mahdollistavat siten soluissa olevat toiminnallisesti erikoistuneet vesipohjaiset tilat. Koska lipidikaksoiskerros on läpäisemätön suurimmalle osalle veteen liukenevista (hydrofiilisistä) molekyyleistä, solulla on oltava mekanismeja, jotka ovat vastuussa ravintoainemolekyylien sisäänkuljetuksesta ja jätteiden uloskuljetuksesta solukalvon läpi. On erittäin haastavaa rakentaa esisoluja molekyylien kokoonpanoista. Merkittävä osa tätä haasteellisuutta on solujen sisäisille toiminnoille (kuten solukalvokuljetukselle ja itsereplikaatiolle) olennaisten, kalvorakkuloita koskevien dynaamiikkojen saavuttaminen amfifiilisiä molekyylejä käyttäen. Orgaanisten yhdisteiden väliset lukuisat kemialliset reaktiot tuottivat elämään tarvittavat rakennusosat maapallon alkuaikoina. Näistä rakennusosista amfifiiliset molekyylit ovat voineet olla suurin ratkaisutekijä molekyylikokoonpanoista solulliseen elämään tapahtuneessa evoluutiossa. Askel kalvorakkulasta esisoluun voisi olla itsereplikoituvien kalvorakkuloiden kehittyminen, joissa on mukana metabolinen järjestelmä.

Lokeroitumista suosiva valinta

Itsestään kootut kalvorakkulat ovat esisolujen keskeisiä komponentteja. Termodynamiikan toinen pääsääntö vaatii, että universumi etenee kohti suurempaa epäjärjestystä (tai entropiaa), mutta elämä on erityinen sen suuren järjestelmällisyyden takia. Tämän takia on oltava raja erottamaan elämään tarvittavat prosessit muusta, ei elävästä ympäristöstä. Solukalvo on ainoa solurakenne, joka löytyy kaikista mapallolla elävien organismien kaikista soluista.

Tutkijat Irene A. Chen, Jack W. Szostak (Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinto 2009) ynnä muut osoittivat, että esisolujen yksinkertaiset fysiokemialliset ominaisuudet voivat saada aikaan keskeisiä solukäyttäytymisiä, mukaan lukien Darvinistisen kilpailun ja energianvarastoinnin alkeellisia muotoja. Tämänkaltaiset yhteistyövuorovaikutukset kalvon ja sen ympäröimän sisällön välillä voisivat suuresti yksinkertaistaa itsereplikoituvista molekyyleistä aitoihin soluihin siirtymistä. Lisäksi, kalvomolekyyleihin kohdistuva kilpailu olisi suosinut vakaita kalvoja, viitaten ristiin linkitettyjen rasvahappojen ja jopa nykypäivän fosfolipidien evoluutiota tukevaan selektiiviseen etuun. Tämä mikrolokeroituminen mahdollisti kalvonsisäisen aineenvaihdunnan, pienten molekyylien vaihdon ja suurten aineiden läpikulkemisen eston. Lokeroitumisen suurimmat edut olivat sisällön kasvava liukoisuus ja kemiallisen gradientin avulla tuotettu energia. Solut varastoivat tämän energian hiilihydraattien (kuten sokereiden), lipidien ja proteiinien kaltaisiin molekyyleihin, jotka happeen yhdistettyinä luovuttavat energiaa soluhengityksen aikana.

Kalvorakkulat ja misellit

Kun fosfolipidit asetetaan veteen, molekyylit järjestäytyvät itsestään niin, että hännät ovat suojassa vedeltä, tuottaen kaksoiskalvon, kalvorakkulan ja misellin kaltaisia kalvorakenteita. Nykyaikaisissa soluissa kalvorakkulat toimivat osana aineenvaihduntaa, kuljetusta, kelluvuuden säätelyä ja entsyymien varastointia. Ne voivat myös toimia luonnollisina reaktiokammioina. Vetisessä liuoksessa oleva tyypillinen i tai miselli tuottaa rakenteen, jossa hydrofiilinen "pää" on yhteydessä ympäröivään liuottimeen ja yksittäinen hydrofobinen häntä on eristettynä misellin keskuksessa. Tämä vaihe johtuu siitä, että yksihäntäisten lipidien käyttäytymiseen kuuluu kaksoiskalvoksi pakkautuminen. Vaikka luonnossa esiintyvät itsestään muodostuvat, lipideistä koostuvat yksöiskalvot muistuttavat niitä alkeellisia kalvorakkuloita, jotka olisivat voineet olla olemassa evoluution alkuvaiheessa, ne eivät kuitenkaan ole yhtä kehittyneitä kuin nykypäivän organismeista löytyvät kaksoiskalvot.

Aikaiset kalvot olisivat kuitenkin voineet muodostua fosfolipidien sijaan rasvahapoista, jotka olisivat voineet muodostaa kalvoja helpommin prebioottisessa ympäristössä. Rasvahappoja on syntetisoitu laboratorioissa usean prebiootisen ympäristön olosuhteissa ja niitä on löytynyt meteoriiteista, viitaten niiden luonnolliseen synteesiin luonnossa.

Oleiinihapoista koostuvat kalvorakkulat ovat oiva malli sille, millaiset kalvolliset esisolut olisivat voineet olla prebioottisen ajanjakson aikana.

Seitsemästä tai vähemmästä aminohaposta koostuvat lyhyet, positiivisesti varautuneet, hydrofobiset peptidit voivat liittää RNA-molekyylejä kalvorakkulan kalvolle (yksinkertaiselle solukalvolle) sähköstaattisten vuorovaikutusten avulla.

Varhaisen esisolun oletettuja molekyylejä 

Jotkut olettavat, että varhaista esisolua olisi ohjannut RNA, ja silloin varhaisimmissa esisoluissa olisi ollut RNA:n jakautumista tuottavia replikaasi- ja valkuaiaainesynteesiä ohjaavia ribotsyymimolekyylejä. Varhaisten hyvin pienten "lipidipussien" uskotaan jakautuneen itsestään, kun kasvoivat riittävän isoksi. Esisolu on saattanut muistuttaa koronavirusta, jossa on lipidikerroksessa valkuaismolekyylejä, ja keskellä RNA. Koronaviruksessa on glykoproteiineja ja fosfoproteiineja pallomaisena muodostumana.

Keinotekoiset mallit 

Itseorganisoituvien järjestelmien tutkija Steen Rasmussen on tuottanut Los Alamosin yliopistossa pienen lipidipussin, jossa on valoa vastaanottava molekyyli, ja entsyyminä toimiva PNA-molekyyli. Tämä miljoona kertaa bakteeria pienempi "esisolu" osaa vain yhden toiminnon, valmistaa valoenergian avulla valmiista osasista omaa kalvoaan. Se ei ole elävä muun muassa sen takia, ettei se kykene lisääntymään.

Eettisyys ja kiistanalaisuus
Esisoluihin kohdistuva tutkimus on tuottanut kiistanalaisuutta ja eriäviä mielipiteitä, mukaan lukien "tekoelämä" -termin epämääräisen määritelmän arvostelijoita. Painavimpana eettisenä huolenaiheena pidetään elämän perusyksikön luomista, vaikka laajimmalle levinnyt huoli on esisolujen hallitsemattoman replikoinnin tuottama mahdollinen uhka ihmisten ja ympäristön terveydelle.

Katso myös 
Elämän alkuperä
Emergenssi
RNA-maailma
Hypersykli
Synteettinen biologia
Viimeinen universaali esivanhempi

Lähteet

Aiheesta muualla 

A Model of the Protocell 

Assembling Life From Scratch 
S U P R A M O L E C U L A R    C H E M I S T R Y
Research vesicles
Quantum Self-assembly in Artificial Minimal Living Cells 
A life-like virtual cell membrane using discrete automata
BioMIP Research Group Multidisciplinary research on evolutionary self-organization. 

Elämän synty
Evoluutiobiologia
Solubiologia