Kemiska reaktioner drivna av de geologiska förhållandena på den tidiga jorden kan ha lett till den prebiotiska utvecklingen av självreplikerande molekyler. Forskare vid Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) i München rapporterar nu om en hydrotermisk mekanism som kunde ha främjat processen.

Livet är en produkt av evolution genom naturligt urval. Det är hemläxan från Charles Darwins bok "The Origin of Species, " publicerad för över 150 år sedan. Men hur började historien om livet på vår planet? Vilken typ av process kunde ha lett till bildandet av de tidigaste formerna av de biomolekyler vi nu känner, som sedan gav upphov till den första cellen? Forskare tror att på den (relativt) unga jorden, miljöer måste ha funnits, som var gynnsamma för prebiotika, molekylär evolution. En dedikerad grupp forskare är engagerade i försök att definiera under vilka förutsättningar de första preliminära stegen i utvecklingen av komplexa polymera molekyler från enkla kemiska prekursorer kunde ha varit genomförbara. "För att få igång hela processen, prebiotisk kemi måste vara inbäddad i en miljö där en lämplig kombination av fysikaliska parametrar gör att ett icke-jämviktstillstånd råder, " förklarar LMU-biofysikern Dieter Braun. Tillsammans med kollegor baserade på Salk Institute i San Diego, han och hans team har nu tagit ett stort steg mot definitionen av en sådan stat. Deras senaste experiment har visat att cirkulationen av varmt vatten (som tillhandahålls av en mikroskopisk version av Golfströmmen) genom porer i vulkaniskt berg kan stimulera replikeringen av RNA-strängar. De nya rönen visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Som bärare av ärftlig information i alla kända livsformer, RNA och DNA är kärnan i forskningen om livets ursprung. Båda är linjära molekyler som består av fyra typer av subenheter som kallas baser, och båda kan replikeras – och därför överföras. Sekvensen av baser kodar för den genetiska informationen. Dock, de kemiska egenskaperna hos RNA-strängar skiljer sig subtilt från de hos DNA. Medan DNA-strängar parar sig för att bilda den berömda dubbelhelixen, RNA-molekyler kan vikas till tredimensionella strukturer som är mycket mer varierade och funktionellt mångsidiga. Verkligen, specifikt vikta RNA-molekyler har visat sig katalysera kemiska reaktioner både i provröret och i celler, precis som proteiner gör. Dessa RNA fungerar därför som enzymer, och kallas "ribozymer." Förmågan att replikera och accelerera kemiska omvandlingar motiverade formuleringen av "RNA-världen"-hypotesen. Denna idé postulerar att, under tidig molekylär evolution, RNA-molekyler fungerade både som lagrar av information som DNA, och som kemiska katalysatorer. Den senare rollen utförs av proteiner i dagens organismer, där RNA syntetiseras av enzymer som kallas RNA-polymeraser.

Ribozymer som kan länka samman korta RNA -strängar - och några som kan replikera korta RNA -mallar - har skapats genom mutation och darwinistisk selektion i laboratoriet. En av dessa "RNA-polymeras"-ribozymer användes i den nya studien.

Förvärv av förmågan till självreplikation av RNA ses som den avgörande processen i prebiotisk molekylär evolution. För att simulera förhållanden under vilka processen kunde ha etablerats, Braun och hans kollegor satte upp ett experiment där en 5 mm cylindrisk kammare fungerar som motsvarigheten till en por i en vulkanisk sten. På den tidiga jorden, porösa bergarter skulle ha utsatts för naturliga temperaturgradienter. Heta vätskor som sipprar genom stenar under havsbotten skulle ha stött på kallare vatten på havsbotten, till exempel. Detta förklarar varför undervattenshydrotermiska ventiler är miljöinställningarna för livets ursprung som är mest gynnade av många forskare. I små porer, temperaturfluktuationer kan vara mycket betydande, och ger upphov till värmeöverföring och konvektionsströmmar. Dessa tillstånd kan lätt reproduceras i laboratoriet. I den nya studien, LMU -teamet verifierade att sådana gradienter kraftigt kan stimulera replikationen av RNA -sekvenser.

Ett stort problem med ribozymdrivet scenario för replikering av RNA är att det första resultatet av processen är ett dubbelsträngat RNA. För att uppnå cyklisk replikering, trådarna måste separeras ('smält'), och detta kräver högre temperaturer, som sannolikt kommer att utvecklas – och inaktivera – ribozymet. Braun och kollegor har nu visat hur detta kan undvikas. "I vårt experiment, lokal uppvärmning av reaktionskammaren skapar en brant temperaturgradient, som skapar en kombination av konvektion, termofores och brunisk rörelse, " säger Braun. Konvektion rör om systemet, medan termofores transporterar molekyler längs gradienten på ett storleksberoende sätt. Resultatet är en mikroskopisk version av en havsström som Golfströmmen. Detta är viktigt, eftersom det transporterar korta RNA-molekyler till varmare områden, medan de större, värmekänsligt ribozym ackumuleras i de kallare områdena, och är skyddad från smältning. Verkligen, forskarna blev förvånade när de upptäckte att ribozymmolekylerna aggregerade för att bilda större komplex, vilket ytterligare ökar deras koncentration i den kallare regionen. På det här sättet, livslängden för de labila ribozymen kan förlängas avsevärt, trots de relativt höga temperaturerna. "Det var en fullständig överraskning, säger Braun.

Längden på de replikerade strängarna som erhålls är fortfarande jämförelsevis begränsade. De kortaste RNA-sekvenserna dupliceras mer effektivt än de längre, så att de dominerande replikationsprodukterna reduceras till en minimal längd. Därav, sann darwinistisk evolution, som gynnar syntes av progressivt längre RNA-strängar, förekommer inte under dessa förhållanden. "Dock, baserat på våra teoretiska beräkningar, vi är övertygade om att ytterligare optimering av våra temperaturfällor är möjlig, " säger Braun. Ett system där ribozymet är sammansatt av kortare RNA-strängar, som den kan replikera separat, är också en möjlig väg framåt.