Los investigadores utilizaron la fuente de fotones avanzada de Argonne para estudiar los compartimentos sin membrana llamados coacervados complejos a medida que se sometían a ciclos de húmedo y seco. un estudio que arroja luz sobre la Tierra prebiótica y tiene implicaciones para el diseño de sistemas electrónicos y de administración de fármacos. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Una de las preguntas más importantes de la ciencia es cómo comenzó la vida en la Tierra.
Una teoría es que el ciclo húmedo-seco en la Tierra primitiva, ya sea durante períodos lluviosos / secos, o mediante fenómenos como los géiseres, que fomentaron la complejidad molecular. Se cree que el ciclo de hidratación / rehidratación creó condiciones que permitieron que los compartimentos sin membranas llamados coacervados complejos actuaran como hogares para que las sustancias químicas se combinaran para crear vida.
Usando la fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne, Los científicos de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME) de la Universidad de Chicago estudiaron estos compartimentos poliméricos a medida que experimentan cambios de fase para comprender qué sucede dentro de ellos durante el ciclo húmedo-seco.
Los resultados, publicado el 27 de octubre en Comunicaciones de la naturaleza , no solo podría arrojar más luz sobre la Tierra prebiótica, también podrían tener implicaciones para el diseño de sistemas electrónicos y de administración de fármacos.
"Ver estos conjuntos de polímeros a medida que experimentan cambios en entornos complejos nos ayuda a comprender cómo se comportaban estos compartimentos en la Tierra primitiva, y cómo podemos utilizarlos en el futuro "dijo Matthew Tirrell, decano de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker, el Profesor de Servicio Distinguido Robert A. Millikan, y coautor del artículo.
Compartimentos sin membrana, llamados coacervados complejos, que forman gotitas del tamaño de un micrómetro (centro), son ampliamente estudiados como modelos de protoceldas, un paso potencial en la evolución de la vida en la Tierra. Una nueva investigación muestra que las gotas se comportan según lo predicho por un diagrama de fase derivado experimentalmente (izquierda) en respuesta a un proceso ambiental propuesto en la Tierra primitiva, el ciclo húmedo-seco, como se puede ver a medida que los pequeños estanques o charcos se evaporan y vuelven a formarse. La preferencia por que las moléculas de ARN (etiquetadas con rojo fluorescente en el panel derecho) se acumulen dentro de las gotas disminuye a medida que se seca la solución. Crédito:Hadi Fares, Penn State
Ver el interior de coacervados complejos
En una investigación dirigida por la Universidad Estatal de Pensilvania, Los científicos examinaron coacervados de polielectrolitos en agua que tenían la misma composición que el agua del estanque. Un estanque se seca con regularidad y luego se repone con la lluvia. Esta deshidratación y rehidratación cíclicas facilita la construcción de bloques moleculares, como aminoácidos y nucleótidos, para ensamblar en péptidos y proteínas, como el ADN y el ARN, bajando la barrera termodinámica que evita que se combinen.
Los Tirrell Lab son expertos en compartimentos poliméricos como polielectrolitos coacervados, habiendo descrito previamente cómo actúan estos materiales bajo diferentes cambios de fase.
Los investigadores de PME utilizaron la dispersión de rayos X de ángulo pequeño en la fuente de fotones avanzada de Argonne para observar la estructura interna de los coacervados a medida que cambiaban las condiciones de humedad y sequedad. Descubrieron que a medida que se secaba la muestra de agua, la concentración de ARN aumentó, pero la concentración de ARN dentro de los compartimentos poliméricos permaneció constante. También encontraron que la concentración de sal de la muestra aumentaba a medida que se secaba el agua, debilitamiento de las interacciones de los polímeros, lo que hizo que los compartimentos estuvieran más hidratados.
Los ciclos repetitivos de hidratación y deshidratación "provocaron una evolución progresiva de los compartimentos, "Tirrell dijo, que cambió permanentemente la composición de los coacervados.
"Esto cambia las propiedades físicas del coacervado y afecta el intercambio de moléculas, lo que podría ser una pista de cómo comenzó la vida temprana, "dijo Alexander Marras, investigador postdoctoral en el grupo de Tirrell.
Como mezclas de compartimentos sin membrana, llamados coacervados complejos, se secan, las concentraciones de todos los componentes aumentan a medida que disminuye el volumen total. La preferencia de una molécula de ARN añadida para ubicarse dentro de las gotitas de coacervado disminuye con el secado, mientras que aumenta su movilidad. Estos resultados enfatizan la importancia de considerar cuidadosamente el medio ambiente en estudios de compartimentos coacervados sin membranas como modelos de protoceldas en la evolución temprana de la vida en la Tierra. Crédito:Hadi Fares, Penn State
Diseño de sistemas de administración de fármacos
Comprender cómo las condiciones dinámicas afectan a los coacervados podría tener implicaciones en los dispositivos electrónicos que utilizan los compartimentos de polímero en pantallas visuales, o en la administración de fármacos. Compartimentos como este podrían usarse para llevar una terapia dentro del cuerpo, y comprender cómo los polímeros se ensamblan y reaccionan a las condiciones cambiantes es clave para diseñar nuevas formas de administrar medicamentos.
Marras, ex postdoctorado de UChicago Jeffrey Ting, e investigadores de Penn State forjaron esta colaboración de investigación durante una Conferencia de Investigación Gordon en Suiza. Investigadores de Penn State, quien finalmente dirigió esta investigación, estaban interesados en estudiar cómo se comportaban los coacervados en la Tierra primitiva. Durante una caminata por un glaciar, Ting, Marras, y los investigadores de Penn State discutieron cómo podrían colaborar utilizando la fuente de fotones avanzada para ver el interior de los compartimentos.
"Argonne es realmente una instalación de clase mundial que nos permite estar a la vanguardia de este tipo de trabajo, "Dijo Marras.
