In moderne organismen, het erfelijke materiële DNA codeert voor de instructies voor de synthese van eiwitten - de veelzijdige nanomachines die moderne cellen in staat stellen te functioneren en te repliceren. Maar hoe kwam deze functionele koppeling tussen DNA en eiwitten tot stand? Volgens de "RNA-wereld"-hypothese, oorspronkelijke levende systemen waren gebaseerd op zelfreplicerende RNA-moleculen. chemisch gesproken, RNA is nauw verwant aan DNA. Echter, naast het opslaan van informatie, RNA kan vouwen tot complexe structuren met katalytische activiteit, vergelijkbaar met de eiwit-nanomachines die chemische reacties in cellen katalyseren. Deze eigenschappen suggereren dat RNA-moleculen in staat zouden moeten zijn om de replicatie van andere RNA-strengen te katalyseren, en het initiëren van zichzelf in stand houdende evolutionaire processen. Vandaar, RNA is van bijzonder belang in de context van het ontstaan ​​van leven als een veelbelovende kandidaat voor het eerste functionele biopolymeer.

Om correct te vouwen, RNA vereist een relatief hoge concentratie dubbel geladen magnesiumionen en een minimale concentratie enkelvoudig geladen natrium, aangezien dit laatste leidt tot het verkeerd vouwen van RNA-strengen. Alleen drogen verandert de zoutconcentratie, maar niet de relatieve hoeveelheden van de verschillende ionen. Daarom, onderzoekers onder leiding van LMU-biofysici Dieter Braun en Christof Mast, in samenwerking met collega's van het Max Planck Instituut voor Biochemie, de Technische Universiteit (TU) in Dortmund en LMU Geowetenschappen, hebben nu gevraagd hoe de relevante zoutbalans zou kunnen zijn bereikt onder de omstandigheden die zo'n 4 miljard jaar geleden op aarde heersten. "We hebben aangetoond dat een combinatie van basaltgesteenten en eenvoudige convectiestromen kan leiden tot de optimale relatie tussen Mg- en Na-ionen onder natuurlijke omstandigheden, ’ legt Mast uit.

Basaltglas en warmtestromen

Voor dit doeleinde, LMU-geowetenschappers onder leiding van Donald Dingwell en Bettina Scheu maakten voor het eerst basaltglas, en kenmerkte het basalt in zijn verschillende vormen, als zowel steen als glas. Basaltglas ontstaat wanneer gesmolten basalt snel wordt afgekoeld, bijv. wanneer het in contact komt met oceaanwater - een natuurlijk proces dat continu plaatsvindt op aarde. In de tweede stap, de LMU-biofysici analyseerden de hoeveelheden magnesium en natrium die uit het glas werden gehaald, onder verschillende omstandigheden, zoals temperatuur of de korrelgrootte van het geologische materiaal. Ze vonden altijd significant meer natrium dan magnesium in het water, en de laatste was aanwezig in veel lagere concentraties dan vereist door de prebiotische RNA-nanomachines.

"Echter, deze situatie veranderde aanzienlijk toen warmtestromen - die zeer waarschijnlijk aanwezig waren, vanwege de hoge niveaus van geologische activiteit die in prebiotische omgevingen worden verwacht, werden toegevoegd, " zegt Mast. In de nauwe poriën en scheuren die kenmerkend zijn voor basaltglazen, temperatuurgradiënten induceren niet alleen convectieve stromingen, ze resulteren ook in de netto beweging van ionen tegen de richting van de stroom in. De omvang van dit effect, wat bekend staat als thermoforese, is sterk afhankelijk van de grootte en elektrische lading van de betreffende ionen. Deze combinatie van convectie en thermoforese resulteert uiteindelijk in de lokale accumulatie van magnesiumionen in veel hogere lokale concentraties dan natriumionen. Verder, de omvang van dit concentratie-effect neemt toe met de omvang van het betrokken systeem.

Gebruikmakend van katalytische RNA-strengen van het benchmarksysteem die werden geleverd door Hannes Mutschler (MPI voor biochemie/TU Dortmund), het team bevestigde verder dat ligatie van RNA-strengen en ribozym-zelfreplicatie en efficiënter zijn onder thermoforetische omstandigheden. In feite, de nieuwe studie toont aan dat de aanwezigheid van warmtestromen RNA-activiteit mogelijk maakt, zelfs wanneer het medium een ​​grote overmaat (1000:1) natrium ten opzichte van magnesiumionen bevat, d.w.z. onder omstandigheden die in sommige prebiotische scenario's worden aangenomen, maar die verder onverenigbaar zijn met op RNA gebaseerde katalytische processen.