Protocelcompartimenten die als model worden gebruikt voor een belangrijke stap in de vroege evolutie van het leven op aarde, kunnen worden gemaakt van korte polymeren. De korte polymeren, die de waarschijnlijke grootte van moleculen die beschikbaar zijn op de vroege aarde beter benaderen, vormen de compartimenten door vloeistof-vloeistof fasescheiding op dezelfde manier als langere polymeren. Hoewel ze geen membraan hebben dat hen scheidt van hun omgeving, de protocellen kunnen RNA sekwestreren en verschillende interne micro-omgevingen behouden, in sommige opzichten zelfs beter dan vergelijkbare compartimenten gemaakt van langere polymeren.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, door Penn State wetenschappers, verschijnt 23 november in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Een belangrijke stap voor de vroege evolutie van het leven op aarde is compartimentering, " zei Christine Keating, onderscheiden hoogleraar scheikunde aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "Levende wezens moeten op de een of andere manier worden gescheiden van hun omgeving. We wilden weten of we compartimenten konden maken die zouden kunnen functioneren als protocellen van moleculen die qua grootte meer vergelijkbaar waren met de moleculen die op aarde beschikbaar zouden zijn geweest toen het leven begon. "

De onderzoekers maken de compartimenten, genaamd "complexe coacervaten, " door twee tegengesteld geladen polymeren in een oplossing te combineren. De polymeren worden door elkaar aangetrokken en kunnen druppeltjes vormen door vloeistof-vloeistof fasescheiding, vergelijkbaar met oliedruppels die zich vormen in een saladedressing terwijl deze zich scheidt. Afhankelijk van de voorwaarden, de polymeren kunnen gelijkmatig in de oplossing verdeeld blijven, ze kunnen de protocelachtige coacervaten vormen, of ze kunnen samenklonteren om vaste aggregaten te vormen.

De onderzoekers vergeleken verschillende lengtes van polymeren bestaande uit geladen eenheden, van 1 tot 100 stuks. De langere polymeren hebben een hogere lading, voelen zich sterker tot elkaar aangetrokken, en kan gemakkelijker compartimenten vormen in een bredere reeks experimentele omstandigheden.

"We hebben een groot aantal combinaties van soorten en lengtes van polymeren getest om te proberen de parameters voor compartimentvorming vast te stellen, "Fatma Pir Cakmak, een afgestudeerde student aan Penn State op het moment van het onderzoek en eerste auteur van het artikel. "We ontdekten dat polymeren met een lengte van slechts vijf eenheden stabiele compartimenten kunnen vormen."

De onderzoekers testten vervolgens het vermogen van de compartimenten gemaakt van de korte polymeren om bepaalde functies van een protocel uit te voeren. De compartimenten waren stabiel in verschillende zoutconcentraties en, afhankelijk van de polymeercombinaties, waren in staat om een ​​schijnbare pH in dat compartiment te handhaven die anders was dan de pH van de omringende oplossing.

"We weten niet wat de omstandigheden waren waarin het leven werd gevormd, " zei Saehyun Choi, een afgestudeerde student aan Penn State en een van de auteurs van het artikel. "Het had in de oceaan kunnen zijn, in brak water, of in zoet water. De compartimenten waren stabiel in zoutconcentraties die hoog genoeg waren om te suggereren dat ze een relevant model zijn voor elk van deze situaties."

Wanneer enkelstrengs RNA-moleculen aan de oplossing werden toegevoegd, compartimenten gemaakt van kortere polymeren waren beter in staat om het RNA te sequestreren dan compartimenten gemaakt van langere polymeren. RNA-moleculen in de compartimenten waren tot wel 500 keer de omringende oplossing geconcentreerd. Dubbelstrengs RNA-moleculen werden ook gesekwestreerd door de compartimenten en waren stabieler in de compartimenten gemaakt van kortere polymeren.

Het onderzoeksteam testte ook het vermogen van RNA om zijn vouw- en driedimensionale structuur in de compartimenten te behouden.

"Onder de omstandigheden die we hebben getest, RNA vormde een groot deel van zijn secundaire structuur, maar behield zijn volledig natuurlijke vouwing in de compartimenten niet, " zei 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. Overuren, 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. "In plaats daarvan, 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."