Gli assemblaggi senza membrana di molecole caricate positivamente e negativamente possono riunire molecole di RNA in goccioline liquide dense, permettendo agli RNA di partecipare a reazioni chimiche fondamentali. Queste assemblee, chiamati "coacervati complessi, " migliorano anche la capacità di alcune molecole di RNA stesse di agire come enzimi, molecole che guidano le reazioni chimiche. Lo fanno concentrando gli enzimi di RNA, i loro substrati, e altre molecole necessarie per la reazione. I risultati dei test e dell'osservazione di questi coacervati forniscono indizi per ricostruire alcuni dei primi passi necessari per l'origine della vita sulla Terra in quello che viene definito il "mondo a RNA" prebiotico. Un documento che descrive la ricerca, dagli scienziati della Penn State, appare il 30 gennaio, 2019 sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Siamo interessati a come si passa da un mondo senza vita a uno con la vita, " disse Filippo C. Bevilacqua, Distinguished Professor di Chimica e di Biochimica e Biologia Molecolare alla Penn State e uno degli autori senior del documento. "Si possono immaginare molti passaggi in questo processo, ma non stiamo guardando i passaggi più elementari. Ci interessa un passaggio leggermente successivo, per vedere come le molecole di RNA potrebbero formarsi dai loro elementi costitutivi di base e se quelle molecole di RNA potrebbero guidare le reazioni necessarie per la vita in assenza di proteine".

La vita come la conosciamo oggi generalmente richiede materiale genetico:DNA, che viene prima trascritto in RNA. Queste due molecole trasportano informazioni per la produzione di proteine, che sono a loro volta necessari per la maggior parte degli aspetti funzionali della vita, compresa la produzione di nuovo materiale genetico. Questo crea un dilemma "la gallina e l'uovo" per le origini della vita sulla Terra primordiale. Il DNA è necessario per produrre proteine, ma le proteine ​​sono necessarie per produrre il DNA.

"L'RNA, o qualcosa di simile, è stato pensato come una chiave per risolvere questo dilemma, " disse Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoctoral Fellow alla Penn State e primo autore dell'articolo. "Le molecole di RNA trasportano informazioni genetiche, ma possono anche funzionare come enzimi per catalizzare le reazioni chimiche necessarie per i primi anni di vita. Questo fatto ha portato alla nozione che la vita sulla Terra ha attraversato una fase in cui l'RNA ha svolto un ruolo attivo nel facilitare le reazioni chimiche - "il mondo dell'RNA" - in cui le molecole di RNA autoreplicanti trasportavano le informazioni genetiche e svolgevano funzioni che ora sono generalmente svolto dalle proteine”.

Un'altra caratteristica comune della vita sulla Terra è che è compartimentata in cellule, spesso con una membrana esterna, o in scomparti più piccoli all'interno delle celle. Questi scomparti assicurano che tutti i componenti per le reazioni chimiche della vita siano a portata di mano, ma nel mondo prebiotico gli elementi costitutivi dell'RNA - o gli enzimi dell'RNA necessari per guidare le reazioni chimiche che potrebbero portare alla vita - sarebbero stati probabilmente scarsi, fluttuando nel brodo primordiale.

"Puoi pensare a questi enzimi RNA come a un'auto prodotta in una catena di montaggio, " disse Poudyal. "Se non hai le parti al posto giusto in fabbrica, la catena di montaggio non funziona. Senza coacervati, le parti necessarie per le reazioni chimiche sono troppo diluite ed è improbabile che si trovino l'una con l'altra, ma dentro i coacervati, tutte le parti di cui l'enzima ha bisogno per funzionare sono nelle vicinanze."

I ricercatori hanno quindi esaminato una varietà di materiali che potrebbero essere esistiti nella Terra pre-vita che possono formare coacervati - protocelle senza membrana - e quindi hanno consentito funzioni critiche come il sequestro degli elementi costitutivi dell'RNA e l'unione degli enzimi dell'RNA e dei loro bersagli.

"Si sapeva in precedenza che le molecole di RNA possono assemblarsi e allungarsi in soluzioni con alte concentrazioni di magnesio, " ha detto Poudyal. "Il nostro lavoro mostra che i coacervati realizzati con determinati materiali consentono a questo assemblaggio di RNA mediato da modelli non enzimatici di verificarsi anche in assenza di magnesio".

I coacervati sono composti da molecole con carica positiva chiamate poliammine e polimeri con carica negativa che si raggruppano insieme per formare compartimenti senza membrana in una soluzione. Le molecole di RNA caricate negativamente sono anche attratte dalle poliammine nei coacervati. All'interno dei coacervati le molecole di RNA sono fino a 4000 volte più concentrate rispetto alla soluzione circostante. Concentrando le molecole di RNA nei coacervati, È più probabile che gli enzimi RNA trovino i loro bersagli per guidare le reazioni chimiche.

"Sebbene tutte le poliammine che abbiamo testato fossero in grado di partecipare alla formazione di goccioline ricche di RNA, differivano nella loro capacità di supportare l'allungamento dell'RNA, "ha detto Christine Keating, professore di chimica alla Penn State e autore senior della carta. "Queste osservazioni ci aiutano a capire come l'ambiente chimico all'interno di diversi compartimenti privi di membrana può influire sulle reazioni dell'RNA".

"Anche se non possiamo guardare indietro per vedere i passi esatti compiuti per formare la prima vita sulla Terra, coacervati come quelli che possiamo creare in laboratorio possono aver aiutato facilitando reazioni chimiche che altrimenti non sarebbero state possibili, ", ha detto Poudyal.

Oltre a Bevilacqua, Poudial, e Keating, il team di ricerca della Penn State include Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, ed Erica A. Frankel. La ricerca è stata supportata dalla Simons Foundation e dalla NASA.