Termofores för energiförsörjning av tidiga celler. NIM -forskaren Dr Christof Mast och hans team föreslår termiskt driven bildning av pH -gradienter och protonflöde som källa till kemisk energiomvandling i tidiga skeden av livet.

Transporten av positivt laddade protoner längs en pH -gradient tjänar till att generera energi i cellulära system där membran bibehåller gradienten. Utan ett membran som innehåller högt utvecklade pumpproteiner, det kommer att vara svårt att förhindra att protoner omedelbart balanserar sin koncentration i vätskan. Ett team som leds av LMU-biofysikern Christof Mast i professor Dieter Brauns forskargrupp har upptäckt en process som kan producera pH-skillnader även utan membran endast med hjälp av ett värmeflöde genom en vattenfylld por. Värmeenergi omvandlas till kemiskt användbar energi.

"Levande celler använder pH -skillnader som den universella drivkraften i sina cellkraftverk, "förklarar Mast. För ungefär fyra miljarder år sedan, före utvecklingen av protonpumpar, andra mekanismer behövdes för att generera pH -gradienter. "På den tidiga jorden, termiskt driven bildning av pH -gradienter kunde ha uppnåtts nära värmekällor i poröst berg, "tillägger Lorenz Keil, den första författaren till publikationen i Naturkommunikation .

Protonflöde som energikälla

I likhet med energiproduktionen från vatten som strömmar längs en höjdskillnad i vattenkraftverk, celler kan producera kemisk energi genom kontrollerad utjämning av protoner längs en pH -skillnad genom ett membran. Sådana pH -skillnader spelade också en viktig roll i utvecklingen av de viktigaste molekylära byggstenarna i livet, såsom ribonukleinsyra (RNA) och olika aminosyror på den tidiga jorden.

Värmeflödet, som det förekommer till exempel i oceaniska hydrotermiska fält, skapar en temperaturskillnad mellan motsatta sidor av poren och orsakar två avgörande effekter:biomolekyler migrerar genom den så kallade termoforesen längs temperaturskillnaden till den kalla sidan. På samma gång, ett konvektivt flöde utvecklas i poren genom att det något tätare vattnet sjunkit på den kalla sidan och det lättare vattnet stiger på den varma sidan. Samspelet mellan båda mekanismerna koncentrerar högre laddade molekyler på botten av poren. Där, de kan absorbera fria protoner och därmed upprätta ett högre pH jämfört med porernas övre områden.

Motor för de första cellerna på jorden?

Drivs av termisk konvektion, de första cellerna kunde ha cyklat mellan regioner med olika pH-värden. Den relativt snabba transporten av vesiklar kan orsaka en protongradient över proto-cellulära membran, vilket görs av sofistikerade protonpumpar i deras moderna släktingar. "Att tillämpa denna metod skulle ha gjort det möjligt för tidiga celler att generera kemisk energi utan att behöva aktivt drivna protonpumpar, "sa Mast som sammanfattade sina fynd.

En enkel temperaturskillnad utgjorde inte bara ett användbart verktyg för bildandet och multiplikationen av de första biomolekylerna, men kunde också ha drivit metabolismen av de första cellerna.