Negli organismi moderni, il materiale ereditario DNA codifica le istruzioni per la sintesi delle proteine, le versatili nanomacchine che consentono alle cellule moderne di funzionare e replicarsi. Ma come è stato stabilito questo legame funzionale tra DNA e proteine? Secondo l'ipotesi del "mondo a RNA", i sistemi viventi primordiali erano basati su molecole di RNA autoreplicanti. Chimicamente parlando, L'RNA è strettamente correlato al DNA. Però, oltre a memorizzare informazioni, L'RNA può ripiegarsi in strutture complesse che hanno attività catalitica, simili alle nanomacchine proteiche che catalizzano le reazioni chimiche nelle cellule. Queste proprietà suggeriscono che le molecole di RNA dovrebbero essere in grado di catalizzare la replicazione di altri filamenti di RNA, e avviare processi evolutivi autosufficienti. Quindi, L'RNA è di particolare interesse nel contesto dell'origine della vita come candidato promettente per il primo biopolimero funzionale.

Per piegare correttamente, L'RNA richiede una concentrazione relativamente alta di ioni magnesio a doppia carica e una concentrazione minima di sodio a carica singola, poiché quest'ultimo porta al ripiegamento errato dei filamenti di RNA. La sola essiccazione altera la concentrazione di sale, ma non le quantità relative dei diversi ioni. Perciò, ricercatori guidati dai biofisici LMU Dieter Braun e Christof Mast, in collaborazione con i colleghi del Max Planck Institute for Biochemistry, l'Università Tecnica (TU) di Dortmund e LMU Geosciences, ora si sono chiesti come sarebbe stato possibile ottenere il relativo equilibrio del sale nelle condizioni prevalenti sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. "Abbiamo dimostrato che una combinazione di rocce basaltiche e semplici correnti di convezione può dare origine alla relazione ottimale tra gli ioni Mg e Na in condizioni naturali, "Spiega Mast.

Vetro basaltico e correnti di calore

Per questo scopo, I geologi della LMU guidati da Donald Dingwell e Bettina Scheu hanno sintetizzato per la prima volta il vetro basaltico, e caratterizzava il basalto nelle sue varie forme, sia come roccia che come vetro. Il vetro basaltico viene prodotto quando il basalto fuso viene rapidamente raffreddato, per esempio. quando entra in contatto con l'acqua dell'oceano, un processo naturale che si verifica continuamente sulla Terra. Nella seconda fase, i biofisici LMU hanno analizzato le quantità di magnesio e sodio che sono state estratte dal vetro, in condizioni diverse, come la temperatura o la granulometria del materiale geologico. Hanno sempre trovato molto più sodio che magnesio nell'acqua, e quest'ultimo era presente in concentrazioni molto inferiori a quelle richieste dalle nanomacchine a RNA prebiotico.

"Però, questa situazione è cambiata considerevolmente quando le correnti di calore, che molto probabilmente erano presenti, a causa degli alti livelli di attività geologica previsti in ambienti prebiotici, sono stati aggiunti, " dice Mast. Nei pori stretti e nelle fessure che sono una caratteristica dei vetri basaltici, gradienti di temperatura non solo inducono flussi convettivi, provocano anche il movimento netto di ioni contro la direzione della corrente. L'entità di questo effetto, che è noto come termoforesi, dipende fortemente dalle dimensioni e dalla carica elettrica degli ioni interessati. Questa combinazione di convezione e termoforesi determina infine l'accumulo locale di ioni magnesio in concentrazioni locali molto più elevate rispetto agli ioni sodio. Per di più, l'entità di questo effetto di concentrazione aumenta con la dimensione del sistema coinvolto.

Utilizzando come sistema di riferimento i filamenti di RNA catalitico forniti da Hannes Mutschler (MPI per la biochimica/TU Dortmund), il team ha continuato a confermare che la legatura dei filamenti di RNA e l'autoreplicazione dei ribozimi sono più efficienti in condizioni termoforetiche. Infatti, il nuovo studio mostra che la presenza di flussi di calore consente l'attività dell'RNA anche quando il mezzo contiene un grande eccesso (1000:1) di sodio rispetto agli ioni magnesio, cioè in condizioni che sono assunte in alcuni scenari prebiotici ma sono altrimenti incompatibili con i processi catalitici a base di RNA.