Los conjuntos sin membrana de moléculas cargadas positiva y negativamente pueden unir moléculas de ARN en gotas de líquido densas, permitiendo que los ARN participen en reacciones químicas fundamentales. Estas asambleas, llamados "coacervados complejos, "también mejoran la capacidad de algunas moléculas de ARN para actuar como enzimas, moléculas que impulsan reacciones químicas. Lo hacen concentrando las enzimas de ARN, sus sustratos, y otras moléculas necesarias para la reacción. Los resultados de las pruebas y la observación de estos coacervados proporcionan pistas para reconstruir algunos de los primeros pasos necesarios para el origen de la vida en la Tierra en lo que se conoce como el "mundo del ARN" prebiótico. Un artículo que describe la investigación, por científicos de Penn State, aparece el 30 de enero, 2019 en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Nos interesa cómo se pasa de un mundo sin vida a uno con vida, "dijo Philip C. Bevilacqua, Profesor distinguido de química y de bioquímica y biología molecular en Penn State y uno de los autores principales del artículo. "Uno puede imaginar muchos pasos en este proceso, pero no estamos mirando los pasos más elementales. Estamos interesados ​​en un paso un poco posterior, para ver cómo las moléculas de ARN podrían formarse a partir de sus componentes básicos y si esas moléculas de ARN podrían impulsar las reacciones necesarias para la vida en ausencia de proteínas ".

La vida tal como la conocemos hoy por lo general requiere material genético:ADN, que se transcribe primero en ARN. Estas dos moléculas transportan información para la producción de proteínas, que a su vez son necesarios para la mayoría de los aspectos funcionales de la vida, incluida la producción de nuevo material genético. Esto plantea un dilema de "la gallina y el huevo" para los orígenes de la vida en la Tierra primitiva. Se requiere ADN para producir proteínas, pero se requieren proteínas para producir ADN.

"Se ha pensado que el ARN, o algo similar, es la clave para resolver este dilema, "dijo Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoctoral Fellow en Penn State y primer autor del artículo. "Las moléculas de ARN transportan información genética, pero también pueden funcionar como enzimas para catalizar las reacciones químicas necesarias para la vida temprana. Este hecho ha llevado a la idea de que la vida en la Tierra pasó por una etapa en la que el ARN desempeñó un papel activo en la facilitación de reacciones químicas, "el mundo del ARN", donde las moléculas de ARN autorreplicantes transportaron la información genética y realizaron funciones que ahora son generalmente llevado a cabo por proteínas ".

Otra característica común de la vida en la Tierra es que está compartimentada en células, a menudo con una membrana externa, o en compartimentos más pequeños dentro de las celdas. Estos compartimentos aseguran que todos los componentes de las reacciones químicas de la vida estén al alcance de la mano. pero en el mundo prebiótico, los componentes básicos del ARN, o las enzimas del ARN necesarias para impulsar las reacciones químicas que podrían conducir a la vida, probablemente hubieran sido escasos. flotando en la sopa primordial.

"Puede pensar en estas enzimas de ARN como un automóvil que se produce en una línea de ensamblaje, ", dijo Poudyal." Si no tiene las piezas en el lugar correcto en la fábrica, la línea de montaje no funciona. Sin coacervados, las partes necesarias para las reacciones químicas están demasiado diluidas y es poco probable que se encuentren entre sí, pero dentro de los coacervados, todas las partes que la enzima necesita para funcionar están cerca ".

Por lo tanto, los investigadores observaron una variedad de materiales que pueden haber existido en la Tierra anterior a la vida que pueden formar coacervados (protocélulas sin membrana) y luego permitieron funciones críticas como secuestrar los componentes básicos del ARN y unir las enzimas de ARN y sus objetivos.

"Se sabía anteriormente que las moléculas de ARN pueden ensamblarse y alargarse en soluciones con altas concentraciones de magnesio, ", dijo Poudyal." Nuestro trabajo muestra que los coacervados hechos de ciertos materiales permiten que este ensamblaje de ARN mediado por molde no enzimático se produzca incluso en ausencia de magnesio ".

Los coacervados están compuestos de moléculas cargadas positivamente llamadas poliaminas y polímeros cargados negativamente que se agrupan para formar compartimentos sin membranas en una solución. Las moléculas de ARN cargadas negativamente también son atraídas por las poliaminas en los coacervados. Dentro de los coacervados, las moléculas de ARN están hasta 4000 veces más concentradas que en la solución circundante. Al concentrar las moléculas de ARN en los coacervados, Es más probable que las enzimas de ARN encuentren sus objetivos para impulsar reacciones químicas.

"Aunque todas las poliaminas que probamos pudieron participar en la formación de gotitas ricas en ARN, diferían en su capacidad para soportar el alargamiento del ARN, "dijo Christine Keating, profesor de química en Penn State y autor principal del artículo. "Estas observaciones nos ayudan a comprender cómo el entorno químico dentro de diferentes compartimentos sin membranas puede afectar las reacciones de ARN".

"Aunque no podemos mirar atrás para ver los pasos exactos que se tomaron para formar la primera vida en la Tierra, coacervados como los que podemos crear en el laboratorio pueden haber ayudado al facilitar reacciones químicas que de otra manera no hubieran sido posibles, "dijo Poudyal.

Además de Bevilacqua, Poudyal, y Keating, el equipo de investigación de Penn State incluye a Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, y Erica A. Frankel. La investigación fue apoyada por la Fundación Simons y la NASA.