En los organismos modernos, el ADN material hereditario codifica las instrucciones para la síntesis de proteínas, las nanomáquinas versátiles que permiten que las células modernas funcionen y se repliquen. Pero, ¿cómo se estableció este vínculo funcional entre el ADN y las proteínas? Según la hipótesis del "mundo de ARN", Los sistemas vivos primordiales se basaban en moléculas de ARN autorreplicantes. Químicamente hablando, El ARN está estrechamente relacionado con el ADN. Sin embargo, además de almacenar información, El ARN puede plegarse en estructuras complejas que tienen actividad catalítica, similar a las nanomáquinas de proteínas que catalizan reacciones químicas en las células. Estas propiedades sugieren que las moléculas de ARN deberían ser capaces de catalizar la replicación de otras cadenas de ARN, e iniciar procesos evolutivos autosostenidos. Por eso, El ARN es de particular interés en el contexto del origen de la vida como un candidato prometedor para el primer biopolímero funcional.

Para doblar correctamente, El ARN requiere una concentración relativamente alta de iones de magnesio con carga doble y una concentración mínima de sodio con carga única, ya que este último conduce a un plegamiento incorrecto de las cadenas de ARN. El secado solo altera la concentración de sal, pero no las cantidades relativas de los diferentes iones. Por lo tanto, investigadores dirigidos por los biofísicos de LMU Dieter Braun y Christof Mast, en colaboración con colegas del Instituto Max Planck de Bioquímica, la Universidad Técnica (TU) en Dortmund y LMU Geociencias, Ahora me han preguntado cómo se podría haber logrado el balance de sal relevante en las condiciones que prevalecían en la Tierra hace unos 4 mil millones de años. "Hemos demostrado que una combinación de rocas basálticas y corrientes de convección simples pueden dar lugar a la relación óptima entre los iones Mg y Na en condiciones naturales, Mast explica.

Vidrio basáltico y corrientes de calor

Para este propósito, Los geocientíficos de LMU dirigidos por Donald Dingwell y Bettina Scheu sintetizaron por primera vez vidrio basáltico, y caracterizó el basalto en sus diversas formas, como roca y vidrio. El vidrio basáltico se produce cuando el basalto fundido se enfría rápidamente, p.ej. cuando entra en contacto con el agua del océano, un proceso natural que ocurre continuamente en la Tierra. En el segundo paso, los biofísicos de LMU analizaron las cantidades de magnesio y sodio que se extrajeron del vidrio, en diversas condiciones, como la temperatura o el tamaño de grano del material geológico. Siempre encontraron significativamente más sodio que magnesio en el agua, y este último estaba presente en concentraciones mucho más bajas que las requeridas por las nanomáquinas de ARN prebiótico.

"Sin embargo, esta situación cambió considerablemente cuando las corrientes de calor, que es muy probable que hayan estado presentes, debido a los altos niveles de actividad geológica esperados en ambientes prebióticos — se agregaron, "dice Mast. En los poros estrechos y las grietas que son una característica de los vidrios basálticos, los gradientes de temperatura no solo inducen flujos convectivos, también dan como resultado el movimiento neto de iones en contra de la dirección de la corriente. La magnitud de este efecto, que se conoce como termoforesis, depende en gran medida del tamaño y la carga eléctrica de los iones en cuestión. Esta combinación de convección y termoforesis eventualmente da como resultado la acumulación local de iones de magnesio en concentraciones locales mucho más altas que los iones de sodio. Es más, la magnitud de este efecto de concentración aumenta con el tamaño del sistema involucrado.

Utilizando como sistema de referencia cadenas de ARN catalítico proporcionadas por Hannes Mutschler (MPI for Biochemistry / TU Dortmund), el equipo continuó confirmando que la ligadura de hebras de ARN y la autorreplicación de ribozimas son más eficientes en condiciones termoforéticas. De hecho, el nuevo estudio muestra que la presencia de flujos de calor permite que tenga lugar la actividad del ARN incluso cuando el medio contiene un gran exceso (1000:1) de sodio sobre iones de magnesio, es decir, en condiciones que se suponen en algunos escenarios prebióticos pero que por lo demás son incompatibles con los procesos catalíticos basados ​​en ARN.