Protocellfack som används som modeller för ett viktigt steg i den tidiga utvecklingen av livet på jorden kan tillverkas av korta polymerer. De korta polymererna, som bättre approximerar den sannolika storleken på molekyler tillgängliga på den tidiga jorden, bilda avdelningarna genom vätske-vätskefasseparation på samma sätt som längre polymerer. Även om de inte har något membran som skiljer dem från omgivningen, protocellerna kan binda RNA och upprätthålla distinkta interna mikromiljöer, på vissa sätt till och med bättre än liknande fack gjorda av längre polymerer.

En artikel som beskriver forskningen, av forskare från Penn State, förekommer 23 nov i journalen Naturkommunikation .

"Ett viktigt steg för den tidiga utvecklingen av livet på jorden är uppdelning, sa Christine Keating, framstående professor i kemi vid Penn State och en av ledarna för forskargruppen. "Levande saker måste på något sätt separeras från sin miljö. Vi ville veta om vi kunde göra fack som kunde fungera som protoceller av molekyler som var mer lika i storlek som de molekyler som skulle ha varit tillgängliga på jorden när livet började. "

Forskarna skapar fack, kallade "komplexa koacervater, " genom att kombinera två motsatt laddade polymerer i en lösning. Polymererna attraheras till varandra och kan bilda droppar genom vätske-vätskefasseparation, liknar oljedroppar som bildas i en salladsdressing när den separeras. Beroende på förutsättningarna, polymererna kan förbli jämnt fördelade i lösningen, de kan bilda de protocellliknande koacervaten, eller så kan de klumpa ihop sig för att bilda fasta aggregat.

Forskarna jämförde olika längder av polymerer som består av laddade enheter, från 1 till 100 enheter. Ju längre polymerer har högre laddningar, är starkare attraherade av varandra, och kan lättare bilda fack i en bredare uppsättning experimentella förhållanden.

"Vi testade ett stort antal kombinationer av polymertyper och längder för att försöka fastställa parametrarna för fackbildning, "Fatma Pir Cakmak, en doktorand vid Penn State vid tidpunkten för forskningen och första författare till artikeln. "Vi fann att polymerer så korta som fem enheter långa kunde bilda stabila fack."

Forskarna testade sedan förmågan hos de fack gjorda av de korta polymererna att utföra vissa funktioner hos en protocell. Facken var stabila i en mängd olika saltkoncentrationer och, beroende på polymerkombinationerna, kunde upprätthålla ett uppenbart pH inuti det facket som skilde sig från pH i den omgivande lösningen.

"Vi vet inte under vilka förhållanden livet bildades, sa Saehyun Choi, en doktorand vid Penn State och en av författarna till tidningen. "Det kunde ha varit i havet, i bräckt vatten, eller i sötvatten. Facken var stabila i saltkoncentrationer som är tillräckligt höga för att antyda att de är en relevant modell för någon av dessa situationer."

När enkelsträngade RNA-molekyler sattes till lösningen, fack gjorda av kortare polymerer kunde bättre binda RNA:t än fack gjorda av längre polymerer. RNA-molekyler inuti avdelningarna koncentrerades med så mycket som 500 gånger den omgivande lösningen. Dubbelsträngade RNA-molekyler sekvestrerades också av avdelningarna och var mer stabila i avdelningarna gjorda av kortare polymerer.

Forskargruppen testade också förmågan hos RNA att behålla sin vikning och tredimensionella struktur inuti facken.

"Under de förhållanden som vi testade, RNA bildade mycket av sin sekundära struktur men bibehöll inte sin helt naturliga veckning inuti facken, " sa McCauley O. Meyer, a graduate student at Penn State and an author of the paper. "We saw basically no difference based on the size of the polymers forming the compartments, so it may just be that we didn't have enough of a key component—something like magnesium, which is important for fully native RNA folding."

The results show that even with simple small components, compartments that are capable of many of the hallmarks of protocells can be made.

"It's a powerful finding to see that we can make these compartments out of such short polymers and in some ways, like accumulating RNAs, they function better than ones made from longer polymers, " said Keating. "Our findings suggest that even if only smaller molecules were available on the early Earth, functional compartments could form. Över tid, larger molecules could have been incorporated as they became available."

The researchers emphasize that the polymers they are using capture the essence of plausible early Earth molecules but are likely not like the ones available on the early Earth, except in size. They stated that they are not attempting to recreate the conditions of early Earth that led to the evolution of life.

"What we're after is not the precise transcript of what happened on Earth billions of years ago, " said Phil Bevilacqua, distinguished professor of chemistry and of biochemistry and molecular biology at Penn State, and one of the leaders of the research team. "Istället, we want to know how feasible it is for life to start. We're exploring boundary conditions, and you have to have short polymers before you get long polymers."