Membranløse protoceller kunne give spor til dannelsen af ​​tidligt liv

Membranløse samlinger af positivt og negativt ladede molekyler kan samle RNA-molekyler i tætte væskedråber, tillader RNA'erne at deltage i fundamentale kemiske reaktioner. Disse forsamlinger, kaldet "komplekse coacervater, "forstærker også nogle RNA-molekylers evne til selv at fungere som enzymer - molekyler, der driver kemiske reaktioner. De gør dette ved at koncentrere RNA-enzymer, deres underlag, og andre molekyler, der kræves til reaktionen. Resultaterne af test og observation af disse coacervater giver spor til at rekonstruere nogle af de tidlige trin, der kræves for livets oprindelse på Jorden i det, der omtales som den præbiotiske "RNA-verden." Et papir, der beskriver forskningen, af forskere ved Penn State, vises 30. januar, 2019 i bladet Naturkommunikation .

"Vi er interesserede i, hvordan du går fra en verden uden liv til en med liv, " sagde Philip C. Bevilacqua, Distinguished professor i kemi og i biokemi og molekylær biologi ved Penn State og en af ​​de ledende forfattere af papiret. "Man kan forestille sig en masse trin i denne proces, men vi ser ikke på de mest elementære trin. Vi er interesserede i et lidt senere trin, for at se, hvordan RNA-molekyler kunne dannes ud fra deres grundlæggende byggesten, og om disse RNA-molekyler kunne drive de reaktioner, der er nødvendige for livet i fravær af proteiner."

Livet, som vi kender det i dag, kræver generelt genetisk materiale - DNA, som først transskriberes til RNA. Disse to molekyler bærer information til produktion af proteiner, som igen er nødvendige for de fleste funktionelle aspekter af livet, herunder produktion af nyt genetisk materiale. Dette sætter et "kyllingen og ægget"-dilemma op for livets oprindelse på den tidlige Jord. DNA er nødvendigt for at producere proteiner, men proteiner er nødvendige for at producere DNA.

"RNA - eller noget lignende - er blevet tænkt som en nøgle til at løse dette dilemma, " sagde Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoc-stipendiat ved Penn State og første forfatter af papiret. "RNA-molekyler bærer genetisk information, men de kan også fungere som enzymer til at katalysere de kemiske reaktioner, der er nødvendige for tidligt liv. Denne kendsgerning har ført til den opfattelse, at livet på Jorden gennemgik et stadium, hvor RNA spillede en aktiv rolle i at lette kemiske reaktioner - "RNA-verdenen" - hvor selvreplikerende RNA-molekyler både bar den genetiske information og udførte funktioner, der nu generelt er udføres af proteiner."

Et andet almindeligt træk ved livet på Jorden er, at det er opdelt i celler, ofte med en ydre membran, eller i mindre rum inde i celler. Disse rum sikrer, at alle komponenter til livets kemiske reaktioner er inden for rækkevidde, men i den præbiotiske verden ville byggestenene til RNA - eller de RNA-enzymer, der er nødvendige for at drive de kemiske reaktioner, der kunne føre til liv - sandsynligvis have været sparsomme, flyder rundt i ursuppen.

"Du kan tænke på disse RNA-enzymer som en bil, der produceres i et samlebånd, " sagde Poudyal. "Hvis du ikke har delene på det rigtige sted på fabrikken, samlebåndet virker ikke. Uden coacervater, de dele, der er nødvendige for kemiske reaktioner, er for fortyndede og vil sandsynligvis ikke finde hinanden, men inde i coacervaterne, alle de dele, som enzymet skal bruge for at virke, er i nærheden."

Forskerne kiggede derfor på en række forskellige materialer, der kan have eksisteret i jorden før livet, og som kan danne koacervater - membranløse protoceller - og tillod derefter kritiske funktioner som at sekvestrere RNA's byggesten og samle RNA-enzymer og deres mål.

"Det var tidligere kendt, at RNA-molekyler kan samles og forlænges i opløsninger med høje koncentrationer af magnesium, " sagde Poudyal. "Vores arbejde viser, at coacervater fremstillet af visse materialer tillader denne ikke-enzymatiske skabelon-medierede RNA-samling at forekomme selv i fravær af magnesium."

Koacervaterne er sammensat af positivt ladede molekyler kaldet polyaminer og negativt ladede polymerer, som klynger sig sammen for at danne membranløse rum i en opløsning. Negativt ladede RNA-molekyler tiltrækkes også af polyaminerne i coacervaterne. Inden for coacervaterne er RNA-molekylerne så meget som 4000 gange mere koncentrerede end i den omgivende opløsning. Ved at koncentrere RNA-molekylerne i coacervaterne, RNA-enzymer er mere tilbøjelige til at finde deres mål for at drive kemiske reaktioner.

"Selvom alle de polyaminer, vi testede, var i stand til at deltage i dannelsen af ​​RNA-rige dråber, de adskilte sig i deres evne til at understøtte RNA-forlængelse, " sagde Christine Keating, professor i kemi ved Penn State og en seniorforfatter på papiret. "Disse observationer hjælper os med at forstå, hvordan det kemiske miljø i forskellige membranløse rum kan påvirke RNA-reaktioner."

"Selvom vi ikke kan se tilbage for at se de nøjagtige skridt, der er taget for at danne det første liv på Jorden, coacervater som dem, vi kan skabe i laboratoriet, kan have hjulpet ved at lette kemiske reaktioner, som ellers ikke ville have været mulige, " sagde Poudyal.

Ud over Bevilacqua, Poudyal, og Keating, forskerholdet ved Penn State omfatter Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, og Erica A. Frankel. Forskningen blev støttet af Simons Foundation og NASA.