Los compartimentos de protoceldas utilizados como modelos para un paso importante en la evolución temprana de la vida en la Tierra se pueden fabricar a partir de polímeros cortos. Los polímeros cortos, que se aproximan mejor al tamaño probable de las moléculas disponibles en la Tierra primitiva, Formar los compartimentos a través de la separación de fases líquido-líquido de la misma manera que los polímeros más largos. Aunque no tienen una membrana que los separe de su entorno, las protoceldas pueden secuestrar ARN y mantener distintos microambientes internos, de alguna manera incluso superan a compartimentos similares hechos de polímeros más largos.

Un artículo que describe la investigación, por científicos de Penn State, aparece el 23 de noviembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Un paso importante para la evolución temprana de la vida en la Tierra es la compartimentación, "dijo Christine Keating, distinguido profesor de química en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. "Los seres vivos necesitan estar separados de algún modo de su entorno. Queríamos saber si podíamos hacer compartimentos que pudieran funcionar como protoceldas a partir de moléculas que fueran más similares en tamaño a las moléculas que habrían estado disponibles en la Tierra cuando comenzaba la vida. "

Los investigadores crean los compartimentos, llamados "coacervados complejos, "mediante la combinación de dos polímeros cargados de manera opuesta en una solución. Los polímeros se atraen entre sí y pueden formar gotas a través de la separación de fases líquido-líquido, similar a las gotas de aceite que se forman en un aderezo para ensaladas cuando se separa. Dependiendo de las condiciones, los polímeros pueden permanecer distribuidos uniformemente en la solución, pueden formar coacervados parecidos a protoceldas, o pueden agruparse para formar agregados sólidos.

Los investigadores compararon diferentes longitudes de polímeros compuestos por unidades cargadas, de 1 a 100 unidades. Los polímeros más largos tienen cargas más altas, se sienten más atraídos el uno por el otro, y pueden formar compartimentos más fácilmente en un conjunto más amplio de condiciones experimentales.

"Probamos una gran cantidad de combinaciones de tipos y longitudes de polímeros para tratar de establecer los parámetros para la formación de compartimentos, "Fatma Pir Cakmak, estudiante de posgrado en Penn State en el momento de la investigación y primer autor del artículo. "Descubrimos que polímeros de hasta cinco unidades de largo podían formar compartimentos estables".

Luego, los investigadores probaron la capacidad de los compartimentos hechos de polímeros cortos para realizar ciertas funciones de una protocélula. Los compartimentos eran estables en una variedad de concentraciones de sal y, dependiendo de las combinaciones de polímeros, pudieron mantener un pH aparente dentro de ese compartimento que era diferente al pH de la solución circundante.

"No sabemos cuáles fueron las condiciones en las que se formó la vida, "dijo Saehyun Choi, estudiante de posgrado en Penn State y uno de los autores del artículo. "Podría haber estado en el océano, en agua salobre, o en agua dulce. Los compartimentos se mantuvieron estables en concentraciones de sal lo suficientemente altas como para sugerir que son un modelo relevante para cualquiera de estas situaciones ".

Cuando se agregaron moléculas de ARN monocatenario a la solución, los compartimentos hechos de polímeros más cortos fueron más capaces de secuestrar el ARN que los compartimentos hechos de polímeros más largos. Las moléculas de ARN dentro de los compartimentos se concentraron hasta 500 veces la solución circundante. Las moléculas de ARN bicatenario también fueron secuestradas por los compartimentos y fueron más estables en los compartimentos hechos de polímeros más cortos.

El equipo de investigación también probó la capacidad del ARN para mantener su estructura tridimensional y plegable dentro de los compartimentos.

"En las condiciones que probamos, RNA formed much of its secondary structure but did not maintain its fully native folding inside the compartments, " said McCauley O. Meyer, a graduate student at Penn State and an author of the paper. "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. Tiempo extraordinario, 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. "En lugar de, 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."