Vědci našli věrohodné geologické nastavení, které mohlo zažehnout život na Zemi

Výzkumníci objevili pravděpodobné evoluční prostředí, ve kterém by nukleové kyseliny – základní genetické stavební kameny života – mohly umožnit svou vlastní replikaci, což by mohlo vést k životu na Zemi.

studium, zveřejněno dnes jako recenzovaný předtisk v eLifebyl editory popsán jako důležitá práce s přesvědčivými důkazy, které ukazují, jak jednoduché geofyzikální nastavení proudění plynu přes úzký kanál vody může vytvořit fyzické prostředí, které vede k replikaci nukleové kyseliny. Práce bude zajímavá pro vědce zabývající se původem života a v širším měřítku o nukleových kyselinách a diagnostických aplikacích.

Vznik života na Zemi je stále nevyřešenou hádankou, ale běžnou teorií je, že replikace genetického materiálu – nukleových kyselin DNA a RNA – byla ústředním a kritickým procesem. Molekuly RNA mohou uchovávat genetickou informaci a katalyzovat svou vlastní replikaci vytvářením dvouvláknových šroubovic. Kombinace těchto schopností jim umožňuje mutovat, vyvíjet se a adaptovat se na různá prostředí a nakonec zakódovat proteinové stavební kameny života.

Aby k tomu došlo, musí se řetězce RNA nejen replikovat do dvouřetězcové formy, ale také se znovu oddělit, aby se dokončil replikační cyklus. Separace vláken je však obtížným úkolem při vysokých koncentracích solí a nukleových kyselin potřebných pro replikaci.

“Byly studovány různé mechanismy pro jejich potenciál oddělit vlákna DNA při vzniku života, ale všechny vyžadují teplotní změny, které by vedly k degradaci nukleových kyselin,” říká hlavní autor Philipp Schwintek, Ph.D. student biofyziky systémů na Ludwig-Maximilians-Universität München, Mnichov, Německo.

„Zkoumali jsme jednoduchý a všudypřítomný geologický scénář, kde pohyb vody skrz horninový pór byl vysušen plynem prosakujícím skrz horninu, aby se dostal na povrch. Takové nastavení by bylo velmi běžné na vulkanických ostrovech na rané Zemi, které nabízely nezbytné suché podmínky pro syntézu RNA.”

Tým vytvořil laboratorní model horninového póru s vzestupným tokem vody, který se vypařuje v průsečíku s kolmým tokem plynu, což vede k akumulaci molekul rozpuštěného plynu na povrchu. Současně tok plynu indukuje kruhové proudy ve vodě, které tlačí molekuly zpět do objemu. Aby pochopili, jak by tento model ovlivnil nukleové kyseliny v prostředí, použili kuličky ke sledování dynamiky vodního toku a poté sledovali pohyb fluorescenčně značených krátkých fragmentů DNA.

“Naše očekávání bylo, že nepřetržité odpařování povede k akumulaci řetězců DNA na rozhraní,” říká Schwintek. “Skutečně jsme zjistili, že voda se na rozhraní kontinuálně vypařovala, ale nukleové kyseliny ve vodné ploše se hromadily v blízkosti rozhraní plyn/voda.” Během pěti minut od zahájení experimentu došlo k trojnásobné akumulaci řetězců DNA, zatímco po hodině bylo na rozhraní nahromaděno 30krát více řetězců DNA.

Ačkoli to naznačuje, že rozhraní plyn/voda umožňuje dostatečnou koncentraci nukleových kyselin pro replikaci, je také nutná separace dvojitých řetězců DNA. Obvykle je nutná změna teploty, ale když je teplota konstantní, mění se koncentrace soli jsou nezbytné.

„Předpokládali jsme, že kruhový tok tekutiny na rozhraní zajišťovaný tokem plynu, spolu s pasivní difúzí, povede k separaci vláken tím, že protlačí nukleové kyseliny oblastmi s různou koncentrací soli,“ vysvětluje hlavní autor Dieter Braun, profesor systémové biofyziky v Ludwig. -Maximilians-Universität München.

Aby to otestovali, použili metodu zvanou FRET spektroskopie k měření separace řetězců DNA – vysoký signál FRET ukazuje, že řetězce DNA jsou stále navázány, zatímco nízký FRET znamená, že řetězce jsou odděleny. Jak se očekávalo, signál FRET se zpočátku zvýšil v blízkosti rozhraní plyn-voda, což ukazuje na tvorbu dvouvláknové DNA. Ale v průběhu experimentu, kde docházelo k proudění vody směrem nahoru, byl signál FRET nízký – indikoval jednovláknovou DNA.

Navíc, když tým překryl tato data svou simulací průtoku vody a koncentrací solí, zjistili, že vír na rozhraní plyn-voda způsobil změny až trojnásobného zvýšení koncentrace soli, což je potenciálně schopné řídit separaci pramenů.

Přestože se nukleové kyseliny a soli akumulovaly v blízkosti rozhraní plyn-voda, v převážné části vody zůstaly koncentrace soli a nukleových kyselin mizející nízké. To přimělo tým otestovat, zda by replikace nukleových kyselin mohla v tomto prostředí skutečně nastat, přidáním nukleových kyselin značených fluorescenčním barvivem a enzymem, který dokáže syntetizovat dvouvláknovou DNA do laboratorního modelu horninového póru. Na rozdíl od normálních laboratorních reakcí syntézy DNA byla teplota udržována na konstantní teplotě a reakce byla místo toho vystavena kombinovanému přítoku vody a plynu.

Po dvou hodinách se fluorescenční signál zvýšil, což ukazuje na zvýšený počet replikovaných molekul dvouvláknové DNA. Přesto, když byl přítok plynu a vody vypnut, nebylo pozorováno žádné zvýšení fluorescenčních signálů, a proto nebylo pozorováno žádné zvýšení dvouřetězcové DNA.

“V této práci jsme zkoumali věrohodné a bohaté geologické prostředí, které by mohlo spustit replikaci raného života,” uzavírá Braun. “Uvažovali jsme o nastavení plynu proudícího přes otevřený skalní pór naplněný vodou, bez jakékoli změny teploty, a zjistili jsme, že kombinovaný proud plynu a vody může vyvolat výkyvy soli, které podporují replikaci DNA.

„Protože se jedná o velmi jednoduchou geometrii, naše zjištění značně rozšiřují repertoár potenciálních prostředí, která by mohla umožnit replikace na raných planetách.”