Thermoforese voor de energievoorziening van vroege cellen. NIM-wetenschapper Dr. Christof Mast en zijn team suggereren thermisch gestuurde vorming van pH-gradiënten en protonflux als bron van chemische energieconversie in vroege levensfasen.

Het transport van positief geladen protonen langs een pH-gradiënt dient om energie te genereren in cellulaire systemen waar membranen de gradiënt handhaven. Zonder een membraan met hoogontwikkelde pompeiwitten, het zal moeilijk zijn om te voorkomen dat protonen hun concentratie in de vloeistof onmiddellijk opnieuw in evenwicht brengen. Een team onder leiding van de LMU-biofysicus Christof Mast in de onderzoeksgroep van professor Dieter Braun heeft een proces ontdekt dat pH-verschillen kan veroorzaken, zelfs zonder membranen, alleen met behulp van een warmtestroom door een met water gevulde porie. Thermische energie wordt omgezet in chemisch bruikbare energie.

"Levende cellen gebruiken pH-verschillen als de universele drijvende kracht van hun celkrachtcentrales, " legt Mast uit. Ongeveer vier miljard jaar geleden, vóór de evolutie van protonpompen, andere mechanismen waren nodig om pH-gradiënten te genereren. "Op de vroege aarde, thermisch gestuurde vorming van pH-gradiënten had kunnen worden bereikt in de buurt van warmtebronnen in poreus gesteente, " voegt Lorenz Keil toe, de eerste auteur van de publicatie in Natuurcommunicatie .

Protonenflux als energiebron

Vergelijkbaar met de energieopwekking uit water dat langs een hoogteverschil stroomt in waterkrachtcentrales, cellen kunnen chemische energie produceren door de gecontroleerde egalisatie van protonen langs een pH-verschil door een membraan. Dergelijke pH-verschillen speelden ook een belangrijke rol in de evolutie van de belangrijkste moleculaire bouwstenen van het leven, zoals ribonucleïnezuur (RNA) en verschillende aminozuren op de vroege aarde.

De warmtestroom, zoals het bijvoorbeeld voorkomt in oceanische hydrothermale velden, creëert een temperatuurverschil tussen de tegenoverliggende zijden van de porie en veroorzaakt twee beslissende effecten:biomoleculen migreren door de zogenaamde thermoforese langs het temperatuurverschil naar de koude kant. Tegelijkertijd, een convectieve stroming ontstaat in de porie door het zinken van het iets dichtere water aan de koude kant en het opstijgen van het lichtere water aan de warme kant. De interactie van beide mechanismen concentreert hoger geladen moleculen op de bodem van de porie. Daar, ze kunnen vrije protonen opnemen en zo een hogere pH tot stand brengen in vergelijking met de bovenste regionen van de porie.

Motor van de eerste cellen op aarde?

Gedreven door thermische convectie, de eerste cellen zouden tussen regio's met verschillende pH-waarden kunnen fietsen. Het relatief snelle transport van blaasjes zou een protongradiënt over protocellulaire membranen kunnen veroorzaken, dat wordt gedaan door geavanceerde protonpompen in hun moderne verwanten. "Door deze methode toe te passen, zouden vroege cellen chemische energie kunnen genereren zonder dat er actief aangedreven protonpompen nodig zijn, " zei Mast die hun bevindingen samenvat.

Een eenvoudig temperatuurverschil vormde niet alleen een nuttig hulpmiddel voor de vorming en vermenigvuldiging van de eerste biomoleculen, maar zou ook het metabolisme van de eerste cellen kunnen hebben aangestuurd.