Conjuntos sem membrana de moléculas carregadas positivamente e negativamente podem reunir moléculas de RNA em gotículas líquidas densas, permitindo que os RNAs participem de reações químicas fundamentais. Essas montagens, chamados de "coacervatos complexos, "também aumentam a capacidade de algumas moléculas de RNA de agirem como enzimas - moléculas que conduzem reações químicas. Elas fazem isso concentrando as enzimas de RNA, seus substratos, e outras moléculas necessárias para a reação. Os resultados dos testes e observação desses coacervados fornecem pistas para reconstruir alguns dos primeiros passos necessários para a origem da vida na Terra no que é conhecido como o "mundo de RNA" prebiótico. Um artigo que descreve a pesquisa, por cientistas da Penn State, aparece em 30 de janeiro, 2019 no jornal Nature Communications .

"Estamos interessados ​​em saber como você passa de um mundo sem vida para um mundo com vida, "disse Philip C. Bevilacqua, Distinto Professor de Química e de Bioquímica e Biologia Molecular na Penn State e um dos autores seniores do artigo. "Pode-se imaginar várias etapas neste processo, mas não estamos olhando para as etapas mais elementares. Estamos interessados ​​em uma etapa ligeiramente posterior, para ver como as moléculas de RNA poderiam se formar a partir de seus blocos de construção básicos e se essas moléculas de RNA poderiam conduzir as reações necessárias para a vida na ausência de proteínas. "

A vida como a conhecemos hoje geralmente requer material genético - DNA, que é primeiro transcrito em RNA. Essas duas moléculas carregam informações para a produção de proteínas, que, por sua vez, são necessários para a maioria dos aspectos funcionais da vida, incluindo a produção de novo material genético. Isso configura um dilema do "ovo e da galinha" para as origens da vida na Terra primitiva. O DNA é necessário para produzir proteínas, mas as proteínas são necessárias para produzir DNA.

"O RNA - ou algo semelhante - foi pensado como a chave para resolver este dilema, "disse Raghav R. Poudyal, Simons Origins of Life Postdoctoral Fellow na Penn State e primeiro autor do artigo. "As moléculas de RNA carregam informações genéticas, mas também podem funcionar como enzimas para catalisar as reações químicas necessárias para o início da vida. Esse fato levou à noção de que a vida na Terra passou por um estágio em que o RNA desempenhou um papel ativo na facilitação de reações químicas - "o mundo do RNA" - onde as moléculas de RNA auto-replicantes carregavam a informação genética e desempenhavam funções que agora são geralmente realizada por proteínas. "

Outra característica comum da vida na Terra é que ela é compartimentada em células, frequentemente com uma membrana externa, ou em compartimentos menores dentro das células. Esses compartimentos garantem que todos os componentes para as reações químicas da vida sejam de fácil acesso, mas no mundo pré-biótico os blocos de construção do RNA - ou as enzimas de RNA necessárias para conduzir as reações químicas que poderiam levar à vida - provavelmente teriam sido escassos, flutuando na sopa primordial.

"Você pode pensar nessas enzimas de RNA como um carro sendo produzido em uma linha de montagem, "disse Poudyal." Se você não tem as peças no lugar certo na fábrica, a linha de montagem não funciona. Sem coacervados, as partes necessárias para as reações químicas são muito diluídas e é improvável que se encontrem, mas dentro dos coacervados, todas as partes de que a enzima precisa para funcionar estão próximas. "

Os pesquisadores, portanto, analisaram uma variedade de materiais que podem ter existido na Terra pré-vida que podem formar coacervados - protocélulas sem membranas - e então permitiram funções críticas como sequestrar os blocos de construção do RNA e reunir enzimas de RNA e seus alvos.

"Já se sabia que as moléculas de RNA podem se reunir e se alongar em soluções com altas concentrações de magnésio, "disse Poudyal." Nosso trabalho mostra que coacervatos feitos de certos materiais permitem que esta montagem de RNA mediada por molde não enzimático ocorra mesmo na ausência de magnésio. "

Os coacervados são compostos de moléculas carregadas positivamente chamadas poliaminas e polímeros carregados negativamente que se agrupam para formar compartimentos sem membranas em uma solução. Moléculas de RNA carregadas negativamente também são atraídas pelas poliaminas nos coacervados. Dentro dos coacervados, as moléculas de RNA são até 4000 vezes mais concentradas do que na solução circundante. Ao concentrar as moléculas de RNA nos coacervados, As enzimas de RNA têm maior probabilidade de encontrar seus alvos para conduzir as reações químicas.

"Embora todas as poliaminas que testamos foram capazes de participar na formação de gotículas ricas em RNA, eles diferiam em sua capacidade de suportar o alongamento do RNA, "disse Christine Keating, professor de química na Penn State e um autor sênior do artigo. "Essas observações nos ajudam a entender como o ambiente químico dentro de diferentes compartimentos sem membrana pode impactar as reações de RNA."

"Embora não possamos olhar para trás para ver os passos exatos dados para formar a primeira vida na Terra, coacervados como os que podemos criar em laboratório podem ter ajudado, facilitando reações químicas que de outra forma não seriam possíveis, "disse Poudyal.

Além de Bevilacqua, Poudyal, e Keating, a equipe de pesquisa da Penn State inclui Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, e Erica A. Frankel. A pesquisa foi apoiada pela Fundação Simons e NASA.