Termoforese para o fornecimento de energia das células iniciais. O cientista do NIM, Dr. Christof Mast, e sua equipe sugerem a formação de gradientes de pH e fluxo de prótons termicamente conduzidos como fonte de conversão de energia química nos primeiros estágios da vida.

O transporte de prótons carregados positivamente ao longo de um gradiente de pH serve para gerar energia em sistemas celulares onde as membranas mantêm o gradiente. Sem uma membrana contendo proteínas de bomba altamente desenvolvidas, será difícil evitar que os prótons reequilibrem sua concentração no líquido imediatamente. Uma equipe liderada pelo biofísico LMU Christof Mast no grupo de pesquisa do professor Dieter Braun descobriu um processo que pode produzir diferenças de pH, mesmo sem membranas, apenas com a ajuda de um fluxo de calor através de um poro cheio de água. A energia térmica é convertida em energia utilizável quimicamente.

"As células vivas usam as diferenças de pH como a força motriz universal de suas usinas de energia celular, "explica Mast. Aproximadamente quatro bilhões de anos atrás, antes da evolução das bombas de prótons, outros mecanismos eram necessários para gerar gradientes de pH. "Na terra primitiva, a formação conduzida termicamente de gradientes de pH poderia ter sido alcançada perto de fontes de calor em rocha porosa, "acrescenta Lorenz Keil, o primeiro autor da publicação em Nature Communications .

Fluxo de prótons como fonte de energia

Semelhante à geração de energia da água fluindo ao longo de uma diferença de altura em usinas hidrelétricas, as células podem produzir energia química pela equalização controlada de prótons ao longo de uma diferença de pH através de uma membrana. Essas diferenças de pH também desempenharam um papel importante na evolução dos blocos de construção moleculares mais importantes da vida, como o ácido ribonucléico (RNA) e vários aminoácidos da Terra primitiva.

O fluxo de calor, como ocorre, por exemplo, em campos hidrotermais oceânicos, cria uma diferença de temperatura entre os lados opostos do poro e causa dois efeitos decisivos:as biomoléculas migram através da chamada termoforese ao longo da diferença de temperatura para o lado frio. Ao mesmo tempo, um fluxo convectivo se desenvolve no poro pelo afundamento da água ligeiramente mais densa no lado frio e a subida da água mais leve no lado quente. A interação de ambos os mecanismos concentra as moléculas com cargas mais altas na parte inferior do poro. Lá, eles podem absorver prótons livres e, assim, estabelecer um pH mais alto em comparação com as regiões superiores do poro.

Motor das primeiras células da terra?

Impulsionado por convecção térmica, as primeiras células poderiam ter alternado entre regiões com diferentes valores de pH. O transporte comparativamente rápido de vesículas pode causar um gradiente de prótons através das membranas protocelulares, que é feito por sofisticadas bombas de prótons em seus parentes modernos. "Aplicar este método teria permitido que as células iniciais gerassem energia química sem a necessidade de bombas de prótons acionadas ativamente, "disse Mast resumindo suas descobertas.

Uma simples diferença de temperatura constituiu não apenas uma ferramenta útil para a formação e multiplicação das primeiras biomoléculas, mas também poderia ter impulsionado o metabolismo das primeiras células.