Naukowcy wskazali szereg warunków reakcji geologicznych, które mogły zapoczątkować powstanie życia na Ziemi.
Naukowcy odkryli prawdopodobne środowisko ewolucyjne, w którym kwasy nukleinowe – podstawowe genetyczne elementy budulcowe życia – mogą się samoreplikować, potencjalnie dając początek życiu na Ziemi.
Badanie, opublikowane jako Reviewed Preprint w e-Życiezostało opisane przez redaktorów jako ważna praca zawierająca przekonujące dowody pokazujące, jak proste geofizyczne ustawienie przepływu gazu przez wąski kanał wodny może stworzyć środowisko fizyczne prowadzące do replikacji kwasów nukleinowych. Praca zainteresuje naukowców zajmujących się pochodzeniem życia i szerzej kwasami nukleinowymi oraz zastosowaniami diagnostycznymi.
Pojawienie się życia na Ziemi jest wciąż nierozwiązaną zagadką, ale powszechna teoria głosi, że replikacja materiału genetycznego – kwasów nukleinowych DNA I RNA – był procesem centralnym i krytycznym. Cząsteczki RNA mogą przechowywać informację genetyczną i katalizować własną replikację poprzez tworzenie dwuniciowych helis.
Połączenie tych zdolności pozwala im mutować, ewoluować i dostosowywać się do różnorodnych środowisk, a ostatecznie kodować białkowe elementy budulcowe życia. Aby tak się stało, nici RNA muszą nie tylko replikować się do postaci dwuniciowej, ale także ponownie się rozdzielić, aby zakończyć cykl replikacji. Oddzielenie nici jest jednak trudnym zadaniem przy dużej zawartości soli i nuklein kwas stężenia wymagane do replikacji.
Badanie mechanizmów geologicznych separacji pasm
„Badano różne mechanizmy pod kątem ich potencjału rozdzielania nici DNA na początku życia, ale wszystkie wymagają zmian temperatury, które prowadziłyby do degradacji kwasów nukleinowych” – mówi główny autor Philipp Schwintek, doktorant biofizyki systemów w Ludwig- Maximilians-Universität München, Monachium, Niemcy. „Zbadaliśmy prosty i wszechobecny scenariusz geologiczny, w którym przepływ wody przez pory skały został osuszony przez gaz przenikający przez skałę i dotarł na powierzchnię. Takie ustawienie byłoby bardzo powszechne na wyspach wulkanicznych na wczesnej Ziemi, które zapewniały suche warunki niezbędne do syntezy RNA”.
Zespół zbudował laboratoryjny model porów skalnych charakteryzujący się skierowanym w górę strumieniem wody parującej na przecięciu z prostopadłym strumieniem gazu, co prowadzi do gromadzenia się rozpuszczonych cząsteczek gazu na powierzchni. Jednocześnie strumień gazu indukuje prądy kołowe w wodzie, wpychając cząsteczki z powrotem do masy. Aby zrozumieć, jak ten model wpłynie na kwasy nukleinowe w środowisku, badacze wykorzystali koraliki do monitorowania dynamiki przepływu wody, a następnie śledzili ruch krótkich fragmentów DNA znakowanych fluorescencyjnie.
„Spodziewaliśmy się, że ciągłe parowanie doprowadzi do akumulacji nici DNA na styku” – mówi Schwintek. „Rzeczywiście odkryliśmy, że woda w sposób ciągły odparowywała na granicy faz, ale kwasy nukleinowe w warstwie wodnej gromadziły się w pobliżu granicy faz gaz/woda”. W ciągu pięciu minut od rozpoczęcia eksperymentu nastąpiła trzykrotna akumulacja nici DNA, natomiast po godzinie na styku nici DNA zgromadziło się 30 razy więcej.
Chociaż sugeruje to, że granica gaz/woda pozwala na wystarczające stężenie kwasów nukleinowych do zajścia replikacji, konieczne jest również oddzielenie podwójnych nici DNA. Zwykle wymagana jest zmiana temperatury, ale gdy temperatura jest stała, konieczna jest zmiana stężenia soli.
„Postawiliśmy hipotezę, że kołowy przepływ płynu na granicy faz zapewniany przez strumień gazu, w połączeniu z bierną dyfuzją, będzie napędzał separację nici poprzez przepychanie kwasów nukleinowych przez obszary o różnym stężeniu soli” – wyjaśnia starszy autor Dieter Braun, profesor biofizyki systemów w Ludwig -Maximilians-Universität München.
Testowanie separacji nici i replikacji DNA
Aby to sprawdzić, wykorzystali metodę zwaną spektroskopią FRET do pomiaru separacji nici DNA – wysoki sygnał FRET oznacza, że nici DNA są nadal związane, podczas gdy niski FRET wskazuje, że nici są rozdzielone. Zgodnie z przewidywaniami, sygnał FRET początkowo wzrósł w pobliżu granicy faz gaz-woda, co wskazuje na tworzenie się dwuniciowego DNA. Jednak w trakcie eksperymentu, gdy nastąpił przepływ wody w górę, sygnał FRET był niski, co wskazywało na jednoniciowy DNA. Co więcej, kiedy nałożyli te dane na symulację przepływu wody i stężeń soli, odkryli, że wir na granicy faz gaz-woda powoduje nawet trzykrotne zwiększenie stężeń soli, co może potencjalnie spowodować separację nici.
Chociaż kwasy nukleinowe i sole gromadziły się w pobliżu granicy faz gaz-woda, w większości wody stężenia soli i kwasów nukleinowych pozostawały znikomo niskie. To skłoniło zespół do sprawdzenia, czy replikacja kwasów nukleinowych rzeczywiście może zachodzić w tym środowisku, poprzez dodanie kwasów nukleinowych znakowanych barwnikiem fluorescencyjnym i enzymem zdolnym do syntezy dwuniciowego DNA do laboratoryjnego modelu porów skalnych. W odróżnieniu od normalnych laboratoryjnych reakcji syntezy DNA, temperaturę utrzymywano na stałym poziomie, a zamiast tego reakcję poddawano działaniu połączonego napływu wody i gazu.
Po dwóch godzinach sygnał fluorescencyjny wzrósł, wskazując na zwiększoną liczbę replikowanych cząsteczek dwuniciowego DNA. Jednak po wyłączeniu dopływu gazu i wody nie zaobserwowano wzrostu sygnałów fluorescencji, a zatem nie zaobserwowano wzrostu dwuniciowego DNA.
„W ramach tej pracy zbadaliśmy prawdopodobne i obfite środowisko geologiczne, które mogłoby wywołać replikację wczesnego życia” – podsumowuje Braun. „Rozważaliśmy ustawienie gazu przepływającego przez otwarte pory skalne wypełnione wodą, bez żadnej zmiany temperatury, i odkryliśmy, że połączony przepływ gazu i wody może wywołać fluktuacje soli, które wspierają replikację DNA. Ponieważ jest to bardzo prosta geometria, nasze odkrycia znacznie poszerzają repertuar potencjalnych środowisk, które mogłyby umożliwić replikację na wczesnych planetach.”
Odniesienie: „Środowisko przepływu gazu prebiotycznego umożliwia replikację izotermicznego kwasu nukleinowego”, Philipp Schwintek, Emre Eren, Christof Mast i Dieter Braun, 1 października 2024 r., e-Życie.
DOI: 10.7554/eLife.100152.1
