Les chercheurs ont utilisé la source de photons avancée d'Argonne pour étudier des compartiments sans membrane appelés coacervats complexes lorsqu'ils ont subi des cycles humides-secs, une étude qui fait la lumière sur la Terre prébiotique et a des implications pour la conception de systèmes électroniques et d'administration de médicaments. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
L'une des questions les plus importantes de la science est de savoir comment la vie a commencé sur Terre.
Une théorie est que le cycle sec-humide sur la Terre primitive, que ce soit pendant des périodes pluvieuses/sèches, ou à travers des phénomènes tels que les geysers, qui ont encouragé la complexité moléculaire. On pense que le cycle d'hydratation/réhydratation a créé des conditions qui ont permis à des compartiments sans membrane appelés coacervats complexes d'agir comme des foyers pour que les produits chimiques se combinent pour créer la vie.
En utilisant la source avancée de photons du Laboratoire national d'Argonne, des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont étudié ces compartiments polymères lorsqu'ils subissent des changements de phase pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur pendant le cycle humide-sec.
Les résultats, publié le 27 octobre dans Communication Nature , pourrait non seulement faire la lumière sur la Terre prébiotique, ils pourraient également avoir des implications pour la conception de systèmes électroniques et d'administration de médicaments.
"Voir ces assemblages de polymères alors qu'ils subissent des changements dans des environnements complexes nous aide à comprendre comment ces compartiments se sont comportés sur la Terre primitive, et comment nous pouvons les utiliser à l'avenir, " a déclaré Matthew Tirrell, doyen de la Pritzker School of Molecular Engineering, le professeur de service distingué Robert A. Millikan, et co-auteur de l'article.
Compartiments sans membrane, appelés coacervats complexes, qui forment des gouttelettes micrométriques (au centre), sont largement étudiées comme modèles de protocellules, une étape potentielle dans l'évolution de la vie sur Terre. De nouvelles recherches montrent que les gouttelettes se comportent comme prédit par un diagramme de phase dérivé expérimentalement (à gauche) en réponse à un processus environnemental proposé sur la Terre primitive, le cycle sec-humide comme on peut le voir lorsque de petits étangs ou des flaques d'eau s'évaporent et se reforment. La préférence pour les molécules d'ARN (marquées en rouge par fluorescence dans le panneau de droite) pour s'accumuler à l'intérieur des gouttelettes diminue à mesure que la solution sèche. Crédit :Hadi Fares, État de Pennsylvanie
Voir à l'intérieur des coacervats complexes
Dans une recherche menée par la Pennsylvania State University, les scientifiques ont examiné des coacervats polyélectrolytiques dans une eau qui avait la même composition que l'eau d'un étang. Un étang s'assèche régulièrement et se remplit ensuite de pluie. Cette déshydratation et réhydratation cycliques facilitent la formation de briques moléculaires, comme les acides aminés et les nucléotides, s'assembler en peptides et protéines, comme l'ADN et l'ARN, en abaissant la barrière thermodynamique qui les empêche de se combiner.
Le Tirrell Lab est expert sur les compartiments polymères comme les coacervats polyélectrolytiques, ayant précédemment décrit comment ces matériaux agissent sous différents changements de phase.
Les chercheurs du PME ont utilisé la diffusion de rayons X aux petits angles à la source de photons avancée d'Argonne pour examiner la structure interne des coacervats à mesure que les conditions humides-sèches changeaient. Ils ont découvert qu'à mesure que l'échantillon d'eau séchait, la concentration d'ARN a augmenté, mais la concentration d'ARN à l'intérieur des compartiments polymères est restée constante. Ils ont également constaté que la concentration en sel de l'échantillon augmentait à mesure que l'eau séchait, affaiblir les interactions polymères, ce qui a rendu les compartiments en fait plus hydratés.
Des cycles répétitifs d'hydratation et de déshydratation " ont provoqué une évolution progressive des compartiments, " Tirrell a dit, ce qui a définitivement modifié la composition des coacervats.
"Cela modifie les propriétés physiques du coacervat et affecte l'échange de molécules, ce qui pourrait être un indice sur le début de la vie, " dit Alexandre Marras, chercheur postdoctoral dans le groupe de Tirrell.
En tant que mélanges de compartiments sans membrane, appelés coacervats complexes, sont séchés, les concentrations de tous les composants augmentent à mesure que le volume total diminue. La préférence d'une molécule d'ARN ajoutée à localiser dans les gouttelettes de coacervat diminue avec le séchage tandis que sa mobilité augmente. Ces résultats soulignent l'importance de considérer attentivement l'environnement dans les études de compartiments de coacervats sans membrane en tant que modèles de protocellules au début de l'évolution de la vie sur Terre. Crédit :Hadi Fares, État de Pennsylvanie
Conception de systèmes d'administration de médicaments
Comprendre comment les conditions dynamiques affectent les coacervats pourrait avoir des implications dans les appareils électroniques qui utilisent les compartiments polymères dans les affichages visuels, ou dans l'administration de médicaments. Des compartiments comme celui-ci pourraient être utilisés pour transporter une thérapie dans le corps, et comprendre comment les polymères s'assemblent et réagissent aux conditions changeantes est essentiel pour concevoir de nouvelles façons d'administrer des médicaments.
Marras, Jeffrey Ting, ancien postdoctorant UChicago, et des chercheurs de Penn State ont forgé cette collaboration de recherche lors d'une conférence de recherche Gordon en Suisse. Chercheurs de Penn State, qui a finalement dirigé cette recherche, étaient intéressés à étudier comment les coacervats se comportaient sur la Terre primitive. Lors d'une randonnée sur un glacier, Ting, Marras, et les chercheurs de Penn State ont discuté de la façon dont ils pourraient collaborer en utilisant la source avancée de photons pour voir à l'intérieur des compartiments.
"Argonne est vraiment une installation de classe mondiale qui nous permet d'être à la pointe de ce genre de travail, " dit Marras.
