Termoforesi per l'approvvigionamento energetico delle cellule precoci. Lo scienziato del NIM, il dottor Christof Mast e il suo team, suggeriscono la formazione termicamente guidata di gradienti di pH e flusso di protoni come fonte di conversione dell'energia chimica nelle prime fasi della vita.

Il trasporto di protoni carichi positivamente lungo un gradiente di pH serve a generare energia nei sistemi cellulari dove le membrane mantengono il gradiente. Senza una membrana contenente proteine ​​di pompaggio altamente sviluppate, sarà difficile impedire ai protoni di riequilibrare immediatamente la loro concentrazione nel liquido. Un team guidato dal biofisico della LMU Christof Mast nel gruppo di ricerca del professor Dieter Braun ha scoperto un processo che può produrre differenze di pH anche senza membrane solo con l'aiuto di un flusso di calore attraverso un poro pieno d'acqua. L'energia termica viene convertita in energia chimicamente utilizzabile.

"Le cellule viventi usano le differenze di pH come forza trainante universale delle loro centrali elettriche cellulari, " spiega Mast. Circa quattro miliardi di anni fa, prima dell'evoluzione delle pompe protoniche, erano necessari altri meccanismi per generare gradienti di pH. "Sulla terra primitiva, la formazione termica di gradienti di pH potrebbe essere stata ottenuta vicino a fonti di calore in rocce porose, " aggiunge Lorenz Keil, il primo autore della pubblicazione in Comunicazioni sulla natura .

Flusso di protoni come fonte di energia

Simile alla generazione di energia dall'acqua che scorre lungo un dislivello nelle centrali idroelettriche, le cellule possono produrre energia chimica mediante l'equalizzazione controllata di protoni lungo una differenza di pH attraverso una membrana. Tali differenze di pH hanno anche svolto un ruolo importante nell'evoluzione dei più importanti elementi costitutivi molecolari della vita, come l'acido ribonucleico (RNA) e vari amminoacidi sulla terra primitiva.

Il flusso di calore, come avviene ad esempio nei campi idrotermali oceanici, crea una differenza di temperatura tra i lati opposti del poro e provoca due effetti decisivi:le biomolecole migrano attraverso la cosiddetta termoforesi lungo la differenza di temperatura verso il lato freddo. Allo stesso tempo, nel poro si sviluppa un flusso convettivo per l'affondamento dell'acqua leggermente più densa sul lato freddo e la risalita dell'acqua più leggera sul lato caldo. L'interazione di entrambi i meccanismi concentra le molecole più cariche sul fondo del poro. Là, possono assorbire protoni liberi e quindi stabilire un pH più elevato rispetto alle regioni superiori del poro.

Motore delle prime cellule sulla terra?

Spinto dalla convezione termica, le prime cellule potrebbero aver girato tra regioni con diversi valori di pH. Il trasporto relativamente veloce delle vescicole potrebbe causare un gradiente protonico attraverso le membrane protocellulari, che è fatto da sofisticate pompe protoniche nei loro parenti moderni. "L'applicazione di questo metodo avrebbe consentito alle cellule precoci di generare energia chimica senza la necessità di pompe protoniche azionate attivamente, " ha detto Mast riassumendo i loro risultati.

Una semplice differenza di temperatura costituiva non solo un utile strumento per la formazione e la moltiplicazione delle prime biomolecole, ma potrebbe anche aver guidato il metabolismo delle prime cellule.