I moderna organismer, arvsmaterialet DNA kodar för instruktionerna för syntesen av proteiner – de mångsidiga nanomaskinerna som gör det möjligt för moderna celler att fungera och replikera. Men hur etablerades denna funktionella koppling mellan DNA och proteiner? Enligt "RNA-världen"-hypotesen, ursprungliga levande system var baserade på självreplikerande RNA-molekyler. Kemiskt sett, RNA är nära besläktat med DNA. Dock, förutom att lagra information, RNA kan vikas till komplexa strukturer som har katalytisk aktivitet, liknande proteinnanomaskinerna som katalyserar kemiska reaktioner i celler. Dessa egenskaper tyder på att RNA-molekyler bör vara kapabla att katalysera replikationen av andra RNA-strängar, och initiera självförsörjande evolutionära processer. Därav, RNA är av särskilt intresse i samband med livets ursprung som en lovande kandidat för den första funktionella biopolymeren.

För att vika korrekt, RNA kräver en relativt hög koncentration av dubbelladdade magnesiumjoner och en minimal koncentration av enkelladdat natrium, eftersom det senare leder till felveckning av RNA-strängar. Enbart torkning förändrar saltkoncentrationen, men inte de relativa mängderna av de olika jonerna. Därför, forskare ledda av LMU-biofysikerna Dieter Braun och Christof Mast, i samarbete med kollegor vid Max Planck Institute for Biochemistry, det tekniska universitetet (TU) i Dortmund och LMU Geosciences, har nu frågat hur den relevanta saltbalansen kan ha uppnåtts under de förhållanden som rådde på jorden för cirka 4 miljarder år sedan. "Vi har visat att en kombination av basaltiska bergarter och enkla konvektionsströmmar kan ge upphov till det optimala förhållandet mellan Mg- och Na-joner under naturliga förhållanden, " förklarar Mast.

Basalt glas och värmeströmmar

För det här syftet, LMU-geoforskare ledda av Donald Dingwell och Bettina Scheu syntetiserade först basaltglas, och karakteriserade basalten i dess olika former, som både sten och glas. Basaltglas produceras när smält basalt snabbt kyls, t.ex. när det kommer i kontakt med havsvatten — en naturlig process som sker kontinuerligt på jorden. I det andra steget, LMU-biofysikerna analyserade mängderna magnesium och natrium som extraherades från glaset, under olika förhållanden - såsom temperatur eller kornstorleken på det geologiska materialet. De hittade alltid betydligt mer natrium än magnesium i vattnet, och den senare var närvarande i mycket lägre koncentrationer än de som krävs av de prebiotiska RNA-nanomaskinerna.

"Dock, denna situation förändrades avsevärt när värmeströmmar - som med stor sannolikhet har förekommit, på grund av de höga nivåerna av geologisk aktivitet som förväntas i prebiotiska miljöer – tillkom, " säger Mast. I de smala porerna och sprickorna som är ett kännetecken för basaltglas, temperaturgradienter inducerar inte bara konvektiva flöden, de resulterar också i nettorörelsen av joner mot strömriktningen. Omfattningen av denna effekt, som är känd som termofores, är starkt beroende av de berörda jonernas storlek och elektriska laddning. Denna kombination av konvektion och termofores resulterar så småningom i lokal ackumulering av magnesiumjoner i mycket högre lokala koncentrationer än natriumjoner. Vidare, storleken på denna koncentrationseffekt ökar med storleken på det involverade systemet.

Använda katalytiska RNA-strängar som ett riktmärkessystem som tillhandahållits av Hannes Mutschler (MPI for Biochemistry/TU Dortmund), teamet fortsatte med att bekräfta att ligering av RNA-strängar och ribozymsjälvreplikation och är mer effektiva under termoforetiska förhållanden. Faktiskt, den nya studien visar att närvaron av värmeflöden tillåter RNA-aktivitet att äga rum även när mediet innehåller ett stort överskott (1000:1) av natrium jämfört med magnesiumjoner, d.v.s. under förhållanden som antas i vissa prebiotiska scenarier men som annars är oförenliga med RNA-baserade katalytiska processer.