Membraanloze samenstellingen van positief en negatief geladen moleculen kunnen RNA-moleculen samenbrengen in dichte vloeistofdruppels, waardoor de RNA's kunnen deelnemen aan fundamentele chemische reacties. Deze assemblages, genaamd "complexe coacervaten, " verbeteren ook het vermogen van sommige RNA-moleculen zelf om als enzymen te werken - moleculen die chemische reacties aandrijven. Ze doen dit door de RNA-enzymen te concentreren, hun substraten, en andere moleculen die nodig zijn voor de reactie. De resultaten van het testen en observeren van deze coacervaten geven aanwijzingen voor het reconstrueren van enkele van de eerste stappen die nodig zijn voor het ontstaan ​​van leven op aarde in wat de prebiotische 'RNA-wereld' wordt genoemd. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, door wetenschappers van Penn State, verschijnt 30 januari 2019 in het journaal Natuurcommunicatie .

"We zijn geïnteresseerd in hoe je van een wereld zonder leven naar een met leven gaat, " zei Philip C. Bevilacqua, Distinguished Professor of Chemistry and of Biochemistry and Molecular Biology aan Penn State en een van de senior auteurs van het artikel. "Je kunt je veel stappen in dit proces voorstellen, maar we kijken niet naar de meest elementaire stappen. We zijn geïnteresseerd in een iets latere stap, om te zien hoe RNA-moleculen zouden kunnen worden gevormd uit hun basisbouwstenen en of die RNA-moleculen de reacties zouden kunnen aansturen die nodig zijn voor het leven in de afwezigheid van eiwitten."

Het leven zoals we dat nu kennen, vereist over het algemeen genetisch materiaal:DNA, die eerst in RNA wordt getranscribeerd. Deze twee moleculen dragen informatie voor de productie van eiwitten, die op hun beurt nodig zijn voor de meeste functionele aspecten van het leven, inclusief de productie van nieuw genetisch materiaal. Dit zorgt voor een 'kip en het ei'-dilemma voor de oorsprong van het leven op de vroege aarde. DNA is nodig om eiwitten te produceren, maar eiwitten zijn nodig om DNA te produceren.

"RNA - of iets dergelijks - is gezien als een sleutel tot het oplossen van dit dilemma, " zei Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoctoral Fellow bij Penn State en eerste auteur van het artikel. "RNA-moleculen dragen genetische informatie, maar ze kunnen ook functioneren als enzymen om de chemische reacties te katalyseren die nodig zijn voor het vroege leven. Dit feit heeft geleid tot het idee dat het leven op aarde een fase doormaakte waarin RNA een actieve rol speelde bij het faciliteren van chemische reacties - "de RNA-wereld" - waar zelfreplicerende RNA-moleculen zowel de genetische informatie droegen als functies uitvoerden die nu algemeen uitgevoerd door eiwitten."

Een ander gemeenschappelijk kenmerk van het leven op aarde is dat het is onderverdeeld in cellen, vaak met een buitenmembraan, of in kleinere compartimenten in cellen. Deze compartimenten zorgen ervoor dat alle componenten voor de chemische reacties van het leven binnen handbereik zijn, maar in de prebiotische wereld zouden de bouwstenen voor RNA - of de RNA-enzymen die nodig zijn om de chemische reacties die tot leven zouden kunnen leiden - aan te sturen waarschijnlijk schaars zijn geweest, rondzweven in de oersoep.

"Je kunt deze RNA-enzymen zien als een auto die in een lopende band wordt geproduceerd, " zei Poudyal. "Als je de onderdelen niet op de juiste plek in de fabriek hebt, de lopende band werkt niet. Zonder coacervaten, de onderdelen die nodig zijn voor chemische reacties zijn te verdund en zullen elkaar waarschijnlijk niet vinden, maar binnen de coacervaten, alle onderdelen die het enzym nodig heeft om te werken zijn dichtbij."

De onderzoekers keken daarom naar een verscheidenheid aan materialen die mogelijk bestonden in de pre-life aarde die coacervaten kunnen vormen - membraanloze protocellen - en vervolgens kritische functies mogelijk maakten, zoals het sekwestreren van de bouwstenen van RNA en het samenbrengen van RNA-enzymen en hun doelen.

"Het was eerder bekend dat RNA-moleculen zich kunnen assembleren en verlengen in oplossingen met hoge concentraties magnesium, " zei Poudyal. "Ons werk toont aan dat coacervaten gemaakt van bepaalde materialen ervoor zorgen dat deze niet-enzymatische template-gemedieerde RNA-assemblage zelfs in de afwezigheid van magnesium kan plaatsvinden."

De coacervaten zijn samengesteld uit positief geladen moleculen, polyaminen genaamd, en negatief geladen polymeren die samenklonteren om membraanloze compartimenten in een oplossing te vormen. Negatief geladen RNA-moleculen worden ook aangetrokken door de polyaminen in de coacervaten. Binnen de coacervaten zijn de RNA-moleculen maar liefst 4000 keer geconcentreerder dan in de omringende oplossing. Door de RNA-moleculen in de coacervaten te concentreren, RNA-enzymen hebben meer kans om hun doelen te vinden om chemische reacties aan te sturen.

"Hoewel alle polyaminen die we hebben getest konden deelnemen aan de vorming van RNA-rijke druppels, ze verschilden in hun vermogen om RNA-verlenging te ondersteunen, " zei Christine Keating, hoogleraar scheikunde aan Penn State en een senior auteur op het papier. "Deze waarnemingen helpen ons te begrijpen hoe de chemische omgeving in verschillende membraanloze compartimenten RNA-reacties kan beïnvloeden."

"Hoewel we niet terug kunnen kijken om de exacte stappen te zien die zijn genomen om het eerste leven op aarde te vormen, coacervaten zoals degene die we in het laboratorium kunnen maken, hebben mogelijk geholpen door chemische reacties te vergemakkelijken die anders niet mogelijk zouden zijn geweest, ' zei Poudyal.

Naast Bevilacqua, Poudyal, en Keating, het onderzoeksteam van Penn State omvat Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, en Erica A. Frankel. Het onderzoek werd ondersteund door de Simons Foundation en NASA.