Membranlösa sammansättningar av positivt och negativt laddade molekyler kan föra samman RNA-molekyler i täta vätskedroppar, tillåter RNA att delta i grundläggande kemiska reaktioner. Dessa församlingar, kallade "komplexa koacervater, " ökar också förmågan hos vissa RNA-molekyler själva att fungera som enzymer - molekyler som driver kemiska reaktioner. De gör detta genom att koncentrera RNA-enzymerna, deras substrat, och andra molekyler som krävs för reaktionen. Resultaten av testning och observation av dessa koacervat ger ledtrådar till att rekonstruera några av de tidiga stegen som krävs för livets ursprung på jorden i vad som kallas den prebiotiska "RNA-världen". En artikel som beskriver forskningen, av forskare vid Penn State, visas 30 januari, 2019 i tidningen Naturkommunikation .

"Vi är intresserade av hur du går från en värld utan liv till en med liv, sade Philip C. Bevilacqua, Erkänd professor i kemi och i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State och en av uppsatsens seniorförfattare. "Man kan föreställa sig många steg i denna process, men vi tittar inte på de mest elementära stegen. Vi är intresserade av ett lite senare steg, för att se hur RNA-molekyler kunde bildas från sina grundläggande byggstenar och om dessa RNA-molekyler kunde driva de reaktioner som behövs för livet i frånvaro av proteiner."

Livet som vi känner det idag kräver i allmänhet genetiskt material – DNA, som först transkriberas till RNA. Dessa två molekyler bär information för produktion av proteiner, som i sin tur krävs för de flesta funktionella aspekter av livet, inklusive framställning av nytt genetiskt material. Detta skapar ett "kyckling och ägg"-dilemma för livets ursprung på den tidiga jorden. DNA krävs för att producera proteiner, men det krävs proteiner för att producera DNA.

"RNA - eller något liknande - har ansetts vara en nyckel för att lösa detta dilemma, sade Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoktor vid Penn State och första författare till tidningen. "RNA-molekyler bär genetisk information, men de kan också fungera som enzymer för att katalysera de kemiska reaktioner som behövs för tidigt liv. Detta faktum har lett till uppfattningen att livet på jorden gick igenom ett skede där RNA spelade en aktiv roll i att underlätta kemiska reaktioner – "RNA-världen" – där självreplikerande RNA-molekyler både bar den genetiska informationen och utförde funktioner som nu i allmänhet är utförs av proteiner."

Ett annat vanligt drag i livet på jorden är att det är uppdelat i celler, ofta med ett yttre membran, eller i mindre fack inuti celler. Dessa fack säkerställer att alla komponenter för livets kemiska reaktioner är inom räckhåll, men i den prebiotiska världen skulle byggstenarna för RNA – eller de RNA-enzymer som behövs för att driva de kemiska reaktionerna som kan leda till liv – ha varit knappa, flyter omkring i ursoppan.

"Du kan tänka på dessa RNA-enzymer som en bil som tillverkas i ett löpande band, " sa Poudyal. "Om du inte har delarna på rätt plats i fabriken, löpande bandet fungerar inte. Utan koacervat, delarna som behövs för kemiska reaktioner är för utspädda och kommer sannolikt inte att hitta varandra, men inuti koacervaten, alla delar som enzymet behöver för att fungera finns i närheten."

Forskarna tittade därför på en mängd olika material som kan ha funnits i jorden före livet som kan bilda koacervat - membranlösa protoceller - och tillät sedan kritiska funktioner som att binda RNAs byggstenar och föra samman RNA-enzymer och deras mål.

"Det var tidigare känt att RNA-molekyler kan samlas och förlängas i lösningar med höga koncentrationer av magnesium, " sa Poudyal. "Vårt arbete visar att koacervat gjorda av vissa material tillåter denna icke-enzymatiska mallmedierade RNA-sammansättning att förekomma även i frånvaro av magnesium."

Koacervaten är sammansatta av positivt laddade molekyler som kallas polyaminer och negativt laddade polymerer som samlas för att bilda membranlösa fack i en lösning. Negativt laddade RNA-molekyler attraheras också till polyaminerna i koacervaten. Inom koacervaten är RNA-molekylerna så mycket som 4000 gånger mer koncentrerade än i den omgivande lösningen. Genom att koncentrera RNA-molekylerna i koacervaten, RNA-enzymer är mer benägna att hitta sina mål för att driva kemiska reaktioner.

"Även om alla polyaminer vi testade kunde delta i bildandet av RNA-rika droppar, de skilde sig i sin förmåga att stödja RNA-förlängning, sa Christine Keating, professor i kemi vid Penn State och en senior författare på tidningen. "Dessa observationer hjälper oss att förstå hur den kemiska miljön i olika membranlösa fack kan påverka RNA-reaktioner."

"Även om vi inte kan se tillbaka för att se de exakta stegen som tagits för att bilda det första livet på jorden, koacervat som de vi kan skapa i laboratoriet kan ha hjälpt till genom att underlätta kemiska reaktioner som annars inte skulle ha varit möjliga, sa Poudyal.

Förutom Bevilacqua, Poudyal, och Keating, forskargruppen vid Penn State inkluderar Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, och Erica A. Frankel. Forskningen stöddes av Simons Foundation och NASA.