Termoforesis para el suministro de energía de las primeras células. El científico de NIM, el Dr. Christof Mast y su equipo, sugieren la formación impulsada térmicamente de gradientes de pH y flujo de protones como fuente de conversión de energía química en las primeras etapas de la vida.

El transporte de protones cargados positivamente a lo largo de un gradiente de pH sirve para generar energía en sistemas celulares donde las membranas mantienen el gradiente. Sin una membrana que contenga proteínas de bombeo altamente desarrolladas, Será difícil evitar que los protones reequilibren su concentración en el líquido inmediatamente. Un equipo dirigido por el biofísico Christof Mast de LMU en el grupo de investigación del profesor Dieter Braun ha descubierto un proceso que puede producir diferencias de pH incluso sin membranas solo con la ayuda de un flujo de calor a través de un poro lleno de agua. La energía térmica se convierte en energía químicamente utilizable.

"Las células vivas utilizan las diferencias de pH como la fuerza impulsora universal de sus plantas de energía celular, "explica Mast. Hace aproximadamente cuatro mil millones de años, antes de la evolución de las bombas de protones, se necesitaban otros mecanismos para generar gradientes de pH. "En la tierra primitiva, La formación de gradientes de pH impulsada térmicamente podría haberse logrado cerca de fuentes de calor en rocas porosas, "añade Lorenz Keil, el primer autor de la publicación en Comunicaciones de la naturaleza .

El flujo de protones como fuente de energía.

Similar a la generación de energía a partir del agua que fluye a lo largo de una diferencia de altura en las centrales hidroeléctricas, las células pueden producir energía química mediante la ecualización controlada de protones a lo largo de una diferencia de pH a través de una membrana. Estas diferencias de pH también jugaron un papel importante en la evolución de los componentes moleculares más importantes de la vida, como el ácido ribonucleico (ARN) y varios aminoácidos de la Tierra primitiva.

El flujo de calor como ocurre por ejemplo en campos hidrotermales oceánicos, crea una diferencia de temperatura entre los lados opuestos del poro y provoca dos efectos decisivos:las biomoléculas migran a través de la denominada termoforesis a lo largo de la diferencia de temperatura hacia el lado frío. Al mismo tiempo, un flujo convectivo se desarrolla en el poro por el hundimiento del agua ligeramente más densa en el lado frío y el ascenso del agua más ligera en el lado caliente. La interacción de ambos mecanismos concentra moléculas con mayor carga en la parte inferior del poro. Allí, pueden absorber protones libres y así establecer un pH más alto en comparación con las regiones superiores del poro.

¿Motor de las primeras células de la tierra?

Impulsado por convección térmica, las primeras células podrían haber ciclado entre regiones con diferentes valores de pH. El transporte comparativamente rápido de vesículas podría causar un gradiente de protones a través de las membranas protocelulares, que se realiza mediante sofisticadas bombas de protones en sus parientes modernos. "La aplicación de este método habría permitido que las primeras células generaran energía química sin la necesidad de bombas de protones accionadas activamente, "dijo Mast resumiendo sus hallazgos.

Una simple diferencia de temperatura constituyó no solo una herramienta útil para la formación y multiplicación de las primeras biomoléculas, pero también podría haber impulsado el metabolismo de las primeras células.