Behøvede det tidlige liv lang tid, komplekse molekyler til at lave cellelignende rum?

Protocell-rum, der bruges som modeller for et vigtigt skridt i den tidlige udvikling af livet på Jorden, kan fremstilles af korte polymerer. De korte polymerer, som bedre tilnærmer den sandsynlige størrelse af tilgængelige molekyler på den tidlige Jord, danner rummene gennem væske-væske faseadskillelse på samme måde som længere polymerer. Selvom de ikke har nogen membran, der adskiller dem fra deres miljø, protocellerne kan sekvestrere RNA og opretholde særskilte interne mikromiljøer, på nogle måder endda bedre end lignende rum lavet af længere polymerer.

Et papir, der beskriver forskningen, af Penn State videnskabsmænd, optræder 23. november i journalen Naturkommunikation .

"Et vigtigt skridt for den tidlige udvikling af livet på Jorden er kompartmentalisering, " sagde Christine Keating, fremtrædende professor i kemi ved Penn State og en af ​​lederne af forskerholdet. "Levende ting skal på en eller anden måde adskilles fra deres miljø. Vi ville vide, om vi kunne lave rum, der kunne fungere som protoceller, ud af molekyler, der i størrelse lignede mere de molekyler, der ville have været tilgængelige på Jorden, da livet begyndte. "

Forskerne skaber rummene, kaldet "komplekse coacervater, " ved at kombinere to modsat ladede polymerer i en opløsning. Polymererne tiltrækkes af hinanden og kan danne dråber gennem væske-væske faseadskillelse, ligner oliedråber, der dannes i en salatdressing, når den skilles. Afhængig af forholdene, polymererne kan forblive ensartet fordelt i opløsningen, de kan danne de protocelle-lignende koacervater, eller de kan klumpe sammen for at danne faste tilslag.

Forskerne sammenlignede forskellige længder af polymerer sammensat af ladede enheder, fra 1 til 100 enheder. Jo længere polymerer har højere ladninger, er stærkere tiltrukket af hinanden, og kan lettere danne rum i et bredere sæt af eksperimentelle forhold.

"Vi testede et stort antal kombinationer af polymertyper og -længder for at forsøge at etablere parametrene for rumdannelse, "Fatma Pir Cakmak, en kandidatstuderende ved Penn State på tidspunktet for forskningen og første forfatter til papiret. "Vi fandt ud af, at polymerer så korte som fem enheder lange kunne danne stabile rum."

Forskerne testede derefter evnen af ​​rummene lavet af de korte polymerer til at udføre visse funktioner i en protocell. Kompartmenterne var stabile i en række saltkoncentrationer og, afhængigt af polymerkombinationerne, var i stand til at opretholde en tilsyneladende pH inde i det rum, der var anderledes end pH i den omgivende opløsning.

"Vi ved ikke, hvilke betingelser der var, hvor livet blev dannet, " sagde Saehyun Choi, en kandidatstuderende ved Penn State og en af ​​forfatterne til papiret. "Det kunne have været i havet, i brakvand, eller i ferskvand. Kammerne var stabile i saltkoncentrationer høje nok til at antyde, at de er en relevant model for enhver af disse situationer."

Når enkeltstrengede RNA-molekyler blev tilsat til opløsningen, rum lavet af kortere polymerer var bedre i stand til at sekvestrere RNA'et end rum lavet af længere polymerer. RNA-molekyler inde i rummene blev koncentreret med så meget som 500 gange den omgivende opløsning. Dobbeltstrengede RNA-molekyler blev også sekvestreret af rummene og var mere stabile i rummene fremstillet af kortere polymerer.

Forskerholdet testede også RNA's evne til at bevare sin foldning og tredimensionelle struktur inde i rummene.

"Under de betingelser, vi testede, RNA dannede meget af dets sekundære struktur, men bibeholdt ikke sin helt native foldning inde i rummene, " sagde McCauley O. Meyer, en kandidatstuderende ved Penn State og en forfatter til papiret. "We saw basically no difference based on the size of the polymers forming the compartments, so it may just be that we didn't have enough of a key component—something like magnesium, which is important for fully native RNA folding."

The results show that even with simple small components, compartments that are capable of many of the hallmarks of protocells can be made.

"It's a powerful finding to see that we can make these compartments out of such short polymers and in some ways, like accumulating RNAs, they function better than ones made from longer polymers, " said Keating. "Our findings suggest that even if only smaller molecules were available on the early Earth, functional compartments could form. Over tid, larger molecules could have been incorporated as they became available."

The researchers emphasize that the polymers they are using capture the essence of plausible early Earth molecules but are likely not like the ones available on the early Earth, except in size. They stated that they are not attempting to recreate the conditions of early Earth that led to the evolution of life.

"What we're after is not the precise transcript of what happened on Earth billions of years ago, " said Phil Bevilacqua, distinguished professor of chemistry and of biochemistry and molecular biology at Penn State, and one of the leaders of the research team. "Instead, we want to know how feasible it is for life to start. We're exploring boundary conditions, and you have to have short polymers before you get long polymers."