До сих пор неизвестно, как именно зародилась жизнь на Земле. Чтобы приблизиться к ответу, ученые пытаются синтезировать первую клетку, которая бы имитировала свойства живой: то есть будет целостной, самоорганизующейся, способной питаться и размножаться. Для этого они разбирают живую клетку по частям и изучают протекающие в ней биохимические реакции. Однако полностью воссоздать ее сложную структуру и поведение пока никому не удавалось.

По одной из фундаментальных теорий (теории первичного бульона Александра Опарина), первые примитивные живые организмы на Земле могли собираться из молекул, образованных из частиц атмосферы — водяных паров, аммиака, метана и других соединений, — под воздействием энергии солнечного излучения, молний и тепла от земной коры.

Ученые научно-образовательного центра инфохимии ИТМО и Института имени Вейцмана под руководством профессора Сергея Семенова частично подтвердили эту теорию. Исследователи разработали и описали с помощью вычислительных методов химическую систему, которая приводит к «самосборке» коацерватов — «клубочка» заряженных полимерных молекул. Процесс образования этих структур схож с поведением живого организма.

«Предложенная система — это каскад химических реакций с важной стадией  автокатализа (воспроизводство молекулой самой себя), фазовым разделением (образования нескольких фаз в водном растворе), образованием капель в воде и коацервацией (“кучкование” образованных заряженных макромолекул). Представьте некий химический “суп”: в бульон помещаются молекулы разных веществ, они взаимодействуют, в результате чего образуется новая молекула. Она начинает “размножаться”, “контактировать” с другими частицами, а также инициировать создание коацерватов. Причем когда создаются комплексы, реакция продолжается уже внутри, а не в бульоне, что влияет на скорость получения итоговых структур. В состав реакций входят сера, гуанидины, заряженные поликислоты. Все происходит без нашего участия, мы просто наблюдаем», – объясняет Екатерина Скорб, директор НОЦ инфохимии ИТМО.

Чтобы описать все реакции, авторы исследования использовали молекулярную динамику — метод компьютерного моделирования, который позволяет отследить, что происходит с молекулами на каждом этапе. По словам ученых, их работа демонстрирует новый способ получения из малых молекул более сложных многокомпонентных структур. Понимание их поведения приоткрывает тайну происхождения жизни на Земле и приближает ученых к созданию искусственной клетки. Также благодаря тому, что в таких системах реакции протекают постепенно в ограниченном пространстве, они могут быть перспективны для разработки технологий таргетной доставки лекарств.

Проект поддержан Российским научным фондом и программой «Приоритет 2030».