Forskare använde Argonnes Advanced Photon Source för att studera membranlösa fack som kallas komplexa coacervates när de genomgick våt-torra cykler, en studie som belyser den prebiotiska jorden och har konsekvenser för designen av elektronik och läkemedelsleveranssystem. Upphovsman:Argonne National Laboratory
En av de viktigaste frågorna inom vetenskapen är hur livet började på jorden.
En teori är att våt-torr cykling på den tidiga jorden-vare sig genom regniga/torra perioder, eller genom fenomen som gejsrar - uppmuntrade molekylär komplexitet. Vätske-/rehydreringscykeln tros ha skapat förhållanden som gjorde det möjligt för membranlösa fack som kallas komplexa koacervat att fungera som hem för kemikalier att kombinera för att skapa liv.
Med hjälp av den avancerade fotonkällan vid Argonne National Laboratory, forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago studerade dessa polymerfack när de genomgår fasförändringar för att förstå precis vad som händer inuti dem under våt-torr-cykeln.
Resultaten, publicerad 27 oktober in Naturkommunikation , kunde inte bara kasta ytterligare ljus över den prebiotiska jorden, de kan också få konsekvenser för konstruktionen av elektronik- och läkemedelsleveranssystem.
"Att se dessa polymersammansättningar när de genomgår förändringar i komplexa miljöer hjälper oss att förstå hur dessa avdelningar betedde sig på den tidiga jorden, och hur vi kan använda dem framöver, sa Matthew Tirrell, dekanus vid Pritzker School of Molecular Engineering, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor, och medförfattare till tidningen.
Membranlösa fack, kallade komplexa koacervater, som bildar mikrometerstora droppar (mitten), är allmänt studerade som modeller av protoceller, ett potentiellt steg i livets utveckling på jorden. Ny forskning visar att dropparna beter sig som förutsagt av ett experimentellt härlett fasdiagram (vänster) som svar på en föreslagen tidig miljöprocess från jorden, våt-torr-cykeln som kan ses när små dammar eller pölar avdunstar och reformeras. Preferensen för att RNA -molekyler (fluorescerande märkta röda i den högra panelen) ackumuleras inuti dropparna minskar när lösningen torkar. Upphovsman:Hadi Fares, Penn State
Att se inuti komplexa coacervates
I forskning ledd av Pennsylvania State University, forskare undersökte polyelektrolytkoacervat i vatten som hade samma sammansättning som dammvatten. En damm torkar regelbundet och fylls sedan på med regn. Denna cykliska uttorkning och rehydrering gör det lättare för molekylära byggstenar, som aminosyror och nukleotider, att sätta ihop till peptider och proteiner, som DNA och RNA, genom att sänka den termodynamiska barriären som hindrar dem från att kombineras.
Tirrell Lab är experter på polymerfack som polyelektrolytkoacervater, har tidigare beskrivit hur dessa material fungerar under olika fasförändringar.
PME-forskarna använde röntgenspridning med liten vinkel vid Argonnes Advanced Photon Source för att titta på den interna strukturen hos coacervates när de våta-torra förhållandena förändrades. De fann att när vattenprovet torkade, koncentrationen av RNA ökade, men RNA-koncentrationen inuti polymeravdelningarna förblev konstant. De fann också att saltkoncentrationen i provet ökade när vattnet torkade, försvagade polymerinteraktioner, vilket gjorde att facken faktiskt blev mer återfuktade.
Upprepade cykler av hydrering och uttorkning "orsakade en progressiv utveckling av avdelningarna, "Sa Tirrell, som permanent ändrade koacervaternas sammansättning.
"Detta ändrar de fysikaliska egenskaperna hos koacervatet och påverkar molekylutbytet, som kan vara en ledtråd för hur tidigt livet började, "sa Alexander Marras, en postdoktor i Tirrells grupp.
Som blandningar av membranlösa fack, kallas komplexa coacervates, är torkade, koncentrationerna av alla komponenter ökar när den totala volymen minskar. Preferensen för en tillsatt RNA-molekyl att lokaliseras inom koacervatdropparna minskar med torkning medan dess rörlighet ökar. Dessa resultat betonar vikten av att noggrant överväga miljön i studier av membranlösa koacervatfack som modeller av protoceller i den tidiga utvecklingen av liv på jorden. Kredit:Hadi Fares, Penn State
Designa läkemedelsleveranssystem
Att förstå hur dynamiska förhållanden påverkar coacervates kan ha konsekvenser för elektroniska enheter som använder polymerfacken i visuella displayer, eller vid läkemedelstillförsel. Fack som detta kan användas för att bära en terapi i kroppen, och att förstå hur polymerer samlas och reagerar på förändrade förhållanden är nyckeln till att utforma nya sätt att leverera läkemedel.
Marras, tidigare UChicago postdoc Jeffrey Ting, och forskare med Penn State förfalskade detta forskningssamarbete under en Gordon Research Conference i Schweiz. Penn State forskare, som i slutändan ledde denna forskning, var intresserade av att studera hur koacervater betedde sig på den tidiga jorden. Under en vandring på en glaciär, Ting, Marras, och forskarna i Penn State diskuterade hur de kunde samarbeta genom att använda Advanced Photon Source för att se inuti facken.
"Argonne är verkligen en anläggning i världsklass som gör att vi kan ligga i framkant av den här typen av arbete, sa Marras.
