Livets oprindelse:Kemisk udvikling i en lille golfstrøm

Kemiske reaktioner drevet af de geologiske forhold på den tidlige Jord kan have ført til den præbiotiske udvikling af selvreplikerende molekyler. Forskere ved Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) i München rapporterer nu om en hydrotermisk mekanisme, der kunne have fremmet processen.

Livet er et produkt af evolution ved naturlig udvælgelse. Det er lektionen med hjem fra Charles Darwins bog "The Origin of Species, " udgivet for over 150 år siden. Men hvordan begyndte livets historie på vores planet? Hvilken slags proces kunne have ført til dannelsen af ​​de tidligste former for de biomolekyler, vi nu kender, som efterfølgende gav anledning til den første celle? Forskere mener, at på den (relativt) unge jord, miljøer må have eksisteret, som var befordrende for præbiotika, molekylær evolution. En dedikeret gruppe forskere er engageret i forsøg på at definere de betingelser, hvorunder de første foreløbige trin i udviklingen af ​​komplekse polymere molekyler fra simple kemiske prækursorer kunne have været gennemførlige. "For at få hele processen i gang, præbiotisk kemi skal være indlejret i et miljø, hvor en passende kombination af fysiske parametre får en ikke-ligevægtstilstand til at råde, " forklarer LMU biofysiker Dieter Braun. Sammen med kolleger baseret på Salk Institute i San Diego, han og hans team har nu taget et stort skridt mod definitionen af ​​en sådan stat. Deres seneste eksperimenter har vist, at cirkulation af varmt vand (leveret af en mikroskopisk version af Golfstrømmen) gennem porer i vulkansk sten kan stimulere replikationen af ​​RNA-strenge. De nye resultater vises i journalen Fysiske anmeldelsesbreve .

Som bærere af arvelig information i alle kendte livsformer, RNA og DNA er kernen i forskningen i livets oprindelse. Begge er lineære molekyler opbygget af fire typer underenheder kaldet baser, og begge dele kan replikeres - og derfor overføres. Sekvensen af ​​baser koder for den genetiske information. Imidlertid, de kemiske egenskaber af RNA-strenge adskiller sig subtilt fra dem af DNA. Mens DNA-strenge parrer sig og danner den berømte dobbelthelix, RNA-molekyler kan foldes til tredimensionelle strukturer, der er meget mere varierede og funktionelt alsidige. Ja, specifikt foldede RNA-molekyler har vist sig at katalysere kemiske reaktioner både i reagensglasset og i celler, ligesom proteiner gør. Disse RNA'er virker derfor som enzymer, og omtales som 'ribozymer." Evnen til at replikere og accelerere kemiske transformationer motiverede formuleringen af ​​"RNA-verden"-hypotesen. Denne idé postulerer, at under tidlig molekylær evolution, RNA-molekyler tjente både som lagre af information som DNA, og som kemiske katalysatorer. Sidstnævnte rolle udføres af proteiner i nutidens organismer, hvor RNA'er syntetiseres af enzymer kaldet RNA-polymeraser.

Ribozymer, der kan forbinde korte RNA-strenge sammen - og nogle, der kan replikere korte RNA-skabeloner - er blevet skabt ved mutation og darwinistisk selektion i laboratoriet. Et af disse "RNA-polymerase"-ribozymer blev brugt i den nye undersøgelse.

Erhvervelse af kapaciteten til selvreplikation af RNA ses som den afgørende proces i præbiotisk molekylær evolution. For at simulere forhold, hvorunder processen kunne have etableret sig, Braun og hans kolleger opstillede et eksperiment, hvor et 5 mm cylindrisk kammer tjener som ækvivalent til en pore i en vulkansk sten. På den tidlige jord, porøse sten ville have været udsat for naturlige temperaturgradienter. Varme væsker, der trænger gennem sten under havbunden, ville have mødt køligere vand på havbunden, for eksempel. Dette forklarer, hvorfor undersøiske hydrotermiske udluftninger er de miljømæssige omgivelser for livets oprindelse, som er mest favoriseret af mange forskere. I små porer, temperaturudsving kan være meget betydelige, og giver anledning til varmeoverførsel og konvektionsstrømme. Disse tilstande kan let reproduceres i laboratoriet. I den nye undersøgelse, LMU-holdet bekræftede, at sådanne gradienter i høj grad kan stimulere replikationen af ​​RNA-sekvenser.

Et stort problem med ribozym-drevet scenarie for replikation af RNA er, at det første resultat af processen er et dobbeltstrenget RNA. For at opnå cyklisk replikation, strengene skal adskilles ('smeltet'), og dette kræver højere temperaturer, som sandsynligvis vil udfolde - og inaktivere - ribozymet. Braun og kolleger har nu demonstreret, hvordan dette kan undgås. "I vores eksperiment, lokal opvarmning af reaktionskammeret skaber en stejl temperaturgradient, som opretter en kombination af konvektion, termoforese og Brownsk bevægelse, " siger Braun. Konvektion rører systemet, mens termoforese transporterer molekyler langs gradienten på en størrelsesafhængig måde. Resultatet er en mikroskopisk version af en havstrøm som Golfstrømmen. Dette er vigtigt, da det transporterer korte RNA-molekyler ind i varmere områder, mens den større, varmefølsomt ribozym akkumuleres i de køligere områder, og er beskyttet mod smeltning. Ja, forskerne var forbavsede over at opdage, at ribozymmolekylerne aggregerede og dannede større komplekser, hvilket yderligere øger deres koncentration i det koldere område. På denne måde levetiden for de labile ribozymer kan forlænges betydeligt, på trods af de relativt høje temperaturer. "Det var en komplet overraskelse, " siger Braun.

Længderne af de opnåede replikerede strenge er stadig forholdsvis begrænsede. De korteste RNA-sekvenser duplikeres mere effektivt end de længere, sådan at de dominerende replikationsprodukter reduceres til en minimal længde. Derfor, ægte darwinistisk evolution, som fremmer syntese af progressivt længere RNA-strenge, forekommer ikke under disse forhold. "Imidlertid, baseret på vores teoretiske beregninger, vi er sikre på, at yderligere optimering af vores temperaturfælder er mulig, " siger Braun. Et system, hvor ribozymet er samlet af kortere RNA-strenge, som den kan replikere separat, er også en mulig vej frem.