Den rigtige blanding af salte for at komme livet i gang

I moderne organismer, det arvelige materiale DNA koder for instruktionerne for syntese af proteiner - de alsidige nanomaskiner, der gør det muligt for moderne celler at fungere og replikere. Men hvordan blev denne funktionelle forbindelse mellem DNA og proteiner etableret? Ifølge "RNA -verden" -hypotesen, primitive livssystemer var baseret på selvreplikerende RNA-molekyler. Kemisk set, RNA er nært beslægtet med DNA. Imidlertid, ud over at gemme oplysninger, RNA kan folde sig ind i komplekse strukturer, der har katalytisk aktivitet, ligner protein nanomaskiner, der katalyserer kemiske reaktioner i celler. Disse egenskaber tyder på, at RNA -molekyler skal være i stand til at katalysere replikationen af ​​andre RNA -tråde, og igangsætte selvbærende evolutionære processer. Derfor, RNA er af særlig interesse i forbindelse med livets oprindelse som en lovende kandidat til den første funktionelle biopolymer.

For at folde korrekt, RNA kræver en relativt høj koncentration af dobbeltladede magnesiumioner og en minimal koncentration af enkeltladet natrium, da sidstnævnte fører til fejlfoldning af RNA -tråde. Tørring alene ændrer saltkoncentrationen, men ikke de relative mængder af de forskellige ioner. Derfor, forskere ledet af LMU -biofysikere Dieter Braun og Christof Mast, i samarbejde med kolleger på Max Planck Institute for Biochemistry, det tekniske universitet (TU) i Dortmund og LMU Geosciences, har nu spurgt, hvordan den relevante saltbalance kunne være opnået under de forhold, der hersket på Jorden for omkring 4 milliarder år siden. "Vi har vist, at en kombination af basaltiske sten og simple konvektionsstrømme kan give anledning til det optimale forhold mellem Mg og Na -ioner under naturlige forhold, "Forklarer Mast.

Basaltisk glas og varmestrømme

Til dette formål, LMU geoscientists ledet af Donald Dingwell og Bettina Scheu syntetiserede først basaltisk glas, og karakteriserede basalt i dets forskellige former, som både sten og glas. Basaltglas fremstilles, når smeltet basalt hurtigt afkøles, f.eks. når det kommer i kontakt med havvand - en naturlig proces, der forekommer kontinuerligt på Jorden. I det andet trin, LMU -biofysikerne analyserede mængderne af magnesium og natrium, der blev ekstraheret fra glasset, under forskellige forhold - såsom temperatur eller kornstørrelsen af ​​det geologiske materiale. De fandt altid betydeligt mere natrium end magnesium i vandet, og sidstnævnte var til stede i meget lavere koncentrationer end dem, der kræves af de præbiotiske RNA -nanomaskiner.

"Imidlertid, denne situation ændrede sig betydeligt, når varmestrømme - som meget sandsynligt har været til stede, på grund af de høje niveauer af geologisk aktivitet, der forventes i præbiotiske miljøer - blev tilføjet, "siger Mast. I de smalle porer og revner, der er et træk ved basaltiske glas, temperaturgradienter fremkalder ikke kun konvektive strømninger, de resulterer også i ionernes nettobevægelse mod strømmen. Omfanget af denne effekt, som er kendt som termoforese, er stærkt afhængig af størrelsen og elektrisk ladning af de pågældende ioner. Denne kombination af konvektion og termoforese resulterer til sidst i den lokale ophobning af magnesiumioner i meget højere lokale koncentrationer end natriumioner. Desuden, størrelsen af ​​denne koncentrationseffekt stiger med størrelsen af ​​det involverede system.

Ved hjælp af et benchmark -system katalytiske RNA -tråde, der blev leveret af Hannes Mutschler (MPI for Biochemistry/ TU Dortmund), holdet fortsatte med at bekræfte, at ligering af RNA-tråde og ribozym-selvreplikation og er mere effektive under termoforetiske forhold. Faktisk, den nye undersøgelse viser, at tilstedeværelsen af ​​varmestrømme tillader RNA -aktivitet at finde sted, selv når mediet indeholder et stort overskud (1000:1) af natrium over magnesiumioner, dvs. under betingelser, der antages i nogle præbiotiske scenarier, men som ellers er inkompatible med RNA-baserede katalytiske processer.