I compartimenti di protocelle utilizzati come modelli per un passo importante nella prima evoluzione della vita sulla Terra possono essere realizzati con polimeri corti. I polimeri corti, che meglio approssimano la probabile dimensione delle molecole disponibili sulla Terra primordiale, formare i compartimenti attraverso la separazione di fase liquido-liquido allo stesso modo dei polimeri più lunghi. Sebbene non abbiano una membrana che li separa dal loro ambiente, le protocelle possono sequestrare l'RNA e mantenere distinti microambienti interni, in qualche modo superando anche compartimenti simili realizzati con polimeri più lunghi.

Un documento che descrive la ricerca, dagli scienziati della Penn State, appare il 23 novembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Un passo importante per la prima evoluzione della vita sulla Terra è la compartimentazione, "ha detto Christine Keating, illustre professore di chimica alla Penn State e uno dei leader del gruppo di ricerca. "Gli esseri viventi devono essere in qualche modo separati dal loro ambiente. Volevamo sapere se potevamo creare compartimenti in grado di funzionare come protocellule con molecole di dimensioni più simili alle molecole che sarebbero state disponibili sulla Terra all'inizio della vita. "

I ricercatori creano i compartimenti, chiamati "coacervati complessi, " combinando due polimeri di carica opposta in una soluzione. I polimeri sono attratti l'uno dall'altro e possono formare goccioline attraverso la separazione di fase liquido-liquido, simile alle goccioline di olio che si formano in un condimento per insalata mentre si separa. A seconda delle condizioni, i polimeri possono rimanere uniformemente distribuiti nella soluzione, possono formare i coacervati simili a protocellule, oppure possono aggregarsi per formare aggregati solidi.

I ricercatori hanno confrontato diverse lunghezze di polimeri composti da unità cariche, da 1 a 100 unità. I polimeri più lunghi hanno cariche maggiori, sono più fortemente attratti l'uno dall'altro, e può formare più facilmente compartimenti in un insieme più ampio di condizioni sperimentali.

"Abbiamo testato un gran numero di combinazioni di tipi e lunghezze di polimeri per cercare di stabilire i parametri per la formazione del compartimento, " Fatma Pir Cakmak, uno studente laureato alla Penn State al momento della ricerca e primo autore dell'articolo. "Abbiamo scoperto che polimeri di appena cinque unità di lunghezza potrebbero formare compartimenti stabili".

I ricercatori hanno quindi testato la capacità dei compartimenti realizzati con i polimeri corti di svolgere determinate funzioni di una protocella. I compartimenti erano stabili in una varietà di concentrazioni di sale e, a seconda delle combinazioni di polimeri, erano in grado di mantenere un pH apparente all'interno di quel compartimento che era diverso dal pH della soluzione circostante.

"Non sappiamo quali fossero le condizioni in cui si è formata la vita, " ha detto Saehyun Choi, uno studente laureato alla Penn State e uno degli autori del documento. "Potrebbe essere stato nell'oceano, nell'acqua salmastra, o in acqua dolce. I compartimenti erano stabili in concentrazioni di sale abbastanza elevate da suggerire che fossero un modello rilevante per ognuna di queste situazioni".

Quando alla soluzione sono state aggiunte molecole di RNA a singolo filamento, i compartimenti realizzati con polimeri più corti erano in grado di sequestrare meglio l'RNA rispetto ai compartimenti realizzati con polimeri più lunghi. Le molecole di RNA all'interno dei compartimenti erano concentrate fino a 500 volte la soluzione circostante. Anche le molecole di RNA a doppio filamento sono state sequestrate dai compartimenti ed erano più stabili nei compartimenti costituiti da polimeri più corti.

Il team di ricerca ha anche testato la capacità dell'RNA di mantenere la sua struttura pieghevole e tridimensionale all'interno dei compartimenti.

"Nelle condizioni che abbiamo testato, L'RNA ha formato gran parte della sua struttura secondaria ma non ha mantenuto la sua piegatura completamente nativa all'interno dei compartimenti, " ha detto McCauley O. Meyer, uno studente laureato alla Penn State e un autore del documento. "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. Col tempo, 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. "Anziché, 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."