Считается, что самая ранняя фаза процесса, которая привела к появлению живых организмов на нашей планете, включала избирательные взаимодействия между простыми молекулами пребиотиков, которые позволили им образовывать все более сложные химические структуры. Эти метастабильные структуры в конечном итоге стали способны хранить генетическую информацию и передавать ее путем самовоспроизведения. Наиболее вероятными кандидатами на роль таких самовоспроизводящихся систем являются полимерные молекулы, состоящие из субъединиц, называемых рибонуклеотидами.
Эти молекулы РНК, в свою очередь, могли стать отправной точкой для биологической эволюции, которая привела к появлению первой клетки и всему последующему. Кристоф Маст и Дитер Браун (профессор системной биофизики в LMU) изучали, как молекулы-предшественники, такие как рибонуклеотиды (и дезоксирибонуклеотиды ДНК наследственного материала), присутствующие в первобытном океане Земли, могли локально накапливаться в концентрациях, достаточно высоких, чтобы позволить им взаимодействовать.
Но как в таких системах отделяли пшеницу от плевел?? Другими словами, какой механизм мог отделить «полезные» молекулы РНК от «бесполезных» и сконцентрировать первые в достаточной степени, чтобы дать им возможность взаимодействовать с другими цепями РНК и быть удлиненными??
Новая работа Брауна, который также является членом Мюнхенской инициативы по наносистемам (NIM) и Центра нанонауки (CeNS), вместе с Кристофом Мастом и Маттиасом Морашем указывает на возможный ответ. В более ранних лабораторных экспериментах Браун и его коллеги показали, что разница температур в крошечных заполненных водой каналах, таких как те, что обнаружены у гидротермальных источников и в вулканической породе, выдавленной на срединно-океанических хребтах, способны разделять молекулы ДНК в зависимости от их длины.
Теперь они демонстрируют, что тот же механизм может также сортировать нити ДНК, которые отличаются друг от друга по нуклеотидным последовательностям. Их выводы опубликованы в последнем выпуске журнала "Angewandte Chemie"."
Секционирование, зависящее от последовательности
Вместо образцов пористой породы исследователи LMU использовали для своих экспериментов стеклянные капиллярные трубки, заполненные водным раствором, содержащим смеси двух фрагментов ДНК с немного разными нуклеотидными последовательностями. "ДНК химически тесно связана с РНК и ведет себя аналогичным образом в наших экспериментальных условиях. Но он более стабилен и, следовательно, с ним легче обращаться », – говорит Маттиас Мораш, первый автор нового исследования. Затем ДНК-содержащие стеклянные «поры» нагревали с одной стороны, создавая градиент примерно 17 ° C в капилляре, и анализировали распределение молекул ДНК.
В этих условиях было обнаружено, что различные молекулы ДНК разделяются на гомогенные, высококонцентрированные сборки, в зависимости от их последовательностей и их способности взаимодействовать друг с другом посредством комплементарного спаривания оснований. Таким образом, помимо сортировки молекул по их длине, разница температур также может управлять сортировкой, зависящей от последовательности. Оба эффекта основаны на явлении термофореза, дифференциальной реакции компонентов молекулярных смесей на температурные градиенты.
"Разделение настолько эффективно, что определенные типы фрагментов фактически конденсируются в гели, когда они гибридизуются с комплементарными молекулами-партнерами. — Еще более поразительно то, что последовательности, которые отличаются всего несколькими основаниями, разделены на разные гели », – объясняет Маст. Такая степень специфичности стала большим сюрпризом, поскольку гели ДНК, образованные сушкой, не демонстрируют признаков дифференцировки, зависимой от последовательности. Это говорит о том, что решающее значение имеет градиент температуры в порах. «Условия, в которых поры вулканической породы подвергались воздействию направленного теплового потока, были, вероятно, очень распространены на молодой Земле», – говорит Браун.
Таким образом, сортировка, управляемая температурой, вполне могла обеспечить важный механизм для разделения и концентрации биомолекул, которые могли легко взаимодействовать друг с другом, что позволило им образовывать все более длинные полимерные цепи – необходимое условие для возникновения жизни.