I ricercatori hanno utilizzato l'Advanced Photon Source di Argonne per studiare i compartimenti senza membrana chiamati coacervati complessi mentre venivano sottoposti a cicli umido-secco, uno studio che fa luce sulla Terra prebiotica e ha implicazioni per la progettazione di sistemi elettronici e di somministrazione di farmaci. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
Una delle domande più importanti nella scienza è come è iniziata la vita sulla Terra.
Una teoria è che il ciclo umido-secco sulla Terra primordiale, sia che si tratti di periodi piovosi/secchi, o attraverso fenomeni come i geyser, incoraggiando la complessità molecolare. Si pensa che il ciclo di idratazione/reidratazione abbia creato le condizioni che hanno permesso ai compartimenti senza membrana chiamati coacervati complessi di agire come case per le sostanze chimiche da combinare per creare la vita.
Utilizzando la sorgente di fotoni avanzati presso l'Argonne National Laboratory, gli scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno studiato questi compartimenti polimerici mentre subiscono cambiamenti di fase per capire esattamente cosa succede al loro interno durante il ciclo umido-secco.
I risultati, pubblicato il 27 ottobre in Comunicazioni sulla natura , potrebbe non solo gettare ulteriore luce sulla Terra prebiotica, potrebbero anche avere implicazioni per la progettazione dell'elettronica e dei sistemi di somministrazione dei farmaci.
"Vedere questi assemblaggi polimerici mentre subiscono cambiamenti in ambienti complessi ci aiuta a capire come si sono comportati questi compartimenti sulla Terra primordiale, e come possiamo usarli in futuro, " ha detto Matthew Tirrell, preside della Pritzker School of Molecular Engineering, il professore di servizio distinto di Robert A. Millikan, e coautore del paper.
Scomparti senza membrana, chiamati coacervati complessi, che formano goccioline micrometriche (al centro), sono ampiamente studiati come modelli di protocelle, un potenziale passo nell'evoluzione della vita sulla Terra. Una nuova ricerca mostra che le goccioline si comportano come previsto da un diagramma di fase derivato sperimentalmente (a sinistra) in risposta a un processo ambientale proposto per la prima Terra, il ciclo umido-secco come si potrebbe vedere quando piccoli stagni o pozzanghere evaporano e si riformano. La preferenza per le molecole di RNA (contrassegnate con fluorescenza in rosso nel pannello di destra) da accumulare all'interno delle goccioline diminuisce man mano che la soluzione si asciuga. Credito:Hadi Fares, Penn State
Vedere dentro complessi coacervati
Nella ricerca condotta dalla Pennsylvania State University, gli scienziati hanno esaminato i coacervati di polielettroliti nell'acqua che avevano la stessa composizione dell'acqua di stagno. Uno stagno si asciuga regolarmente e viene poi riempito con la pioggia. Questa disidratazione e reidratazione ciclica rende più facile per i mattoni molecolari, come amminoacidi e nucleotidi, da assemblare in peptidi e proteine, come DNA e RNA, abbassando la barriera termodinamica che impedisce loro di combinarsi.
I Tirrell Lab sono esperti in compartimenti polimerici come i coacervati di polielettroliti, avendo precedentemente descritto come questi materiali agiscono sotto diversi cambiamenti di fase.
I ricercatori del PME hanno utilizzato la diffusione di raggi X a piccolo angolo presso l'Advanced Photon Source di Argonne per esaminare la struttura interna dei coacervati al variare delle condizioni umido-secco. Hanno scoperto che quando il campione d'acqua si è asciugato, la concentrazione di RNA è aumentata, ma la concentrazione di RNA all'interno dei compartimenti polimerici è rimasta costante. Hanno anche scoperto che la concentrazione di sale del campione aumentava man mano che l'acqua si asciugava, indebolimento delle interazioni polimeriche, che ha reso gli scomparti effettivamente più idratati.
Cicli ripetitivi di idratazione e disidratazione "hanno provocato una progressiva evoluzione dei compartimenti, "Tirrell ha detto, che ha cambiato in modo permanente la composizione dei coacervati.
"Questo cambia le proprietà fisiche del coacervato e influenza lo scambio di molecole, che potrebbe essere un indizio di come è iniziata la vita, " disse Alessandro Marras, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Tirrell.
Come miscele di compartimenti senza membrana, chiamati coacervati complessi, sono essiccati, le concentrazioni di tutti i componenti aumentano al diminuire del volume totale. La preferenza di una molecola di RNA aggiunta da posizionare all'interno delle goccioline di coacervato diminuisce con l'essiccazione mentre aumenta la sua mobilità. Questi risultati sottolineano l'importanza di considerare attentamente l'ambiente negli studi sui compartimenti coacervati senza membrana come modelli di protocelle nella prima evoluzione della vita sulla Terra. Credito:Hadi Fares, Penn State
Progettazione di sistemi di somministrazione dei farmaci
Comprendere come le condizioni dinamiche influenzano i coacervati potrebbe avere implicazioni nei dispositivi elettronici che utilizzano i compartimenti polimerici nei display visivi, o nella somministrazione di farmaci. Scomparti come questo potrebbero essere usati per trasportare una terapia all'interno del corpo, e capire come i polimeri si assemblano e reagiscono alle mutevoli condizioni è la chiave per progettare nuovi modi per fornire farmaci.
Marra, l'ex postdoc dell'UChicago Jeffrey Ting, e ricercatori con Penn State hanno forgiato questa collaborazione di ricerca durante una conferenza di ricerca Gordon in Svizzera. ricercatori della Penn State, che alla fine ha condotto questa ricerca, erano interessati a studiare come si comportavano i coacervati sulla Terra primordiale. Durante un'escursione su un ghiacciaio, Ting, Marra, e i ricercatori della Penn State hanno discusso su come collaborare utilizzando l'Advanced Photon Source per vedere all'interno dei compartimenti.
"Argonne è davvero una struttura di livello mondiale che ci permette di essere in prima linea in questo tipo di lavoro, " ha detto Marra.
