Thermophorèse pour l'approvisionnement en énergie des cellules précoces. Le scientifique du NIM, le Dr Christof Mast, et son équipe suggèrent la formation thermique de gradients de pH et de flux de protons comme source de conversion d'énergie chimique dans les premiers stades de la vie.

Le transport de protons chargés positivement le long d'un gradient de pH sert à générer de l'énergie dans les systèmes cellulaires où les membranes maintiennent le gradient. Sans membrane contenant des protéines pompes hautement développées, il sera difficile d'empêcher les protons de rééquilibrer immédiatement leur concentration dans le liquide. Une équipe dirigée par le biophysicien LMU Christof Mast dans le groupe de recherche du professeur Dieter Braun a découvert un processus qui peut produire des différences de pH même sans membranes uniquement à l'aide d'un flux de chaleur à travers un pore rempli d'eau. L'énergie thermique est convertie en énergie chimiquement utilisable.

"Les cellules vivantes utilisent les différences de pH comme force motrice universelle de leurs centrales électriques, " explique Mast. Il y a environ quatre milliards d'années, avant l'évolution des pompes à protons, d'autres mécanismes étaient nécessaires pour générer des gradients de pH. « Sur la terre primitive, la formation thermique de gradients de pH aurait pu être obtenue à proximité de sources de chaleur dans la roche poreuse, " ajoute Lorenz Keil, le premier auteur de la publication en Communication Nature .

Flux de protons comme source d'énergie

Similaire à la production d'énergie à partir de l'eau s'écoulant le long d'un dénivelé dans les centrales hydroélectriques, les cellules peuvent produire de l'énergie chimique par l'égalisation contrôlée des protons le long d'une différence de pH à travers une membrane. De telles différences de pH ont également joué un rôle important dans l'évolution des éléments constitutifs moléculaires les plus importants de la vie, tels que l'acide ribonucléique (ARN) et divers acides aminés sur la terre primitive.

Le flux de chaleur, comme cela se produit par exemple dans les champs hydrothermaux océaniques, crée une différence de température entre les côtés opposés du pore et provoque deux effets décisifs :les biomolécules migrent à travers ce qu'on appelle la thermophorèse le long de la différence de température vers le côté froid. À la fois, un écoulement convectif se développe dans le pore par la descente de l'eau légèrement plus dense du côté froid et la remontée de l'eau plus légère du côté chaud. L'interaction des deux mécanismes concentre les molécules les plus chargées au fond du pore. Là, ils peuvent absorber des protons libres et ainsi établir un pH plus élevé par rapport aux régions supérieures du pore.

Moteur des premières cellules sur terre ?

Entraîné par convection thermique, les premières cellules auraient pu passer d'une région à l'autre avec des valeurs de pH différentes. Le transport relativement rapide des vésicules pourrait provoquer un gradient de protons à travers les membranes proto-cellulaires, ce qui est fait par des pompes à protons sophistiquées dans leurs parents modernes. "L'application de cette méthode aurait permis aux premières cellules de générer de l'énergie chimique sans avoir besoin de pompes à protons actives, ", a déclaré Mast en résumant leurs conclusions.

Une simple différence de température constituait non seulement un outil utile pour la formation et la multiplication des premières biomolécules, mais pourrait aussi avoir entraîné le métabolisme des premières cellules.