Les compartiments protocellulaires utilisés comme modèles pour une étape importante dans l'évolution précoce de la vie sur Terre peuvent être fabriqués à partir de polymères courts. Les polymères courts, qui se rapprochent mieux de la taille probable des molécules disponibles sur la Terre primitive, forment les compartiments par séparation de phase liquide-liquide de la même manière que les polymères plus longs. Bien qu'ils n'aient pas de membrane les séparant de leur environnement, les protocellules peuvent séquestrer l'ARN et maintenir des microenvironnements internes distincts, à certains égards, surpassant même les compartiments similaires fabriqués à partir de polymères plus longs.

Un article décrivant la recherche, par des scientifiques de Penn State, paraît le 23 novembre dans le journal Communication Nature .

"Une étape importante pour l'évolution précoce de la vie sur Terre est la compartimentation, " a déclaré Christine Keating, éminent professeur de chimie à Penn State et l'un des dirigeants de l'équipe de recherche. "Les êtres vivants doivent être séparés d'une manière ou d'une autre de leur environnement. Nous voulions savoir si nous pouvions créer des compartiments qui pourraient fonctionner comme des protocellules à partir de molécules de taille plus similaire aux molécules qui auraient été disponibles sur Terre au début de la vie. "

Les chercheurs créent les compartiments, appelés « coacervats complexes, " en combinant deux polymères de charges opposées dans une solution. Les polymères sont attirés l'un vers l'autre et peuvent former des gouttelettes par séparation de phase liquide-liquide, semblable aux gouttelettes d'huile qui se forment dans une vinaigrette au fur et à mesure qu'elle se sépare. Selon les conditions, les polymères peuvent rester uniformément répartis dans la solution, ils peuvent former des coacervats ressemblant à des protocellules, ou ils peuvent s'agglutiner pour former des agrégats solides.

Les chercheurs ont comparé différentes longueurs de polymères composés d'unités chargées, de 1 à 100 unités. Les polymères plus longs ont des charges plus élevées, sont plus fortement attirés l'un vers l'autre, et peuvent former des compartiments plus facilement dans un ensemble plus large de conditions expérimentales.

"Nous avons testé un grand nombre de combinaisons de types et de longueurs de polymères pour essayer d'établir les paramètres de formation des compartiments, " Fatma Pir Cakmak, un étudiant diplômé de Penn State au moment de la recherche et premier auteur de l'article. "Nous avons découvert que des polymères aussi courts que cinq unités de long pouvaient former des compartiments stables."

Les chercheurs ont ensuite testé la capacité des compartiments fabriqués à partir des polymères courts à remplir certaines fonctions d'une protocellule. Les compartiments étaient stables à diverses concentrations de sel et, selon les combinaisons de polymères, ont pu maintenir un pH apparent à l'intérieur de ce compartiment qui était différent du pH de la solution environnante.

"Nous ne savons pas dans quelles conditions la vie s'est formée, " a déclaré Saehyun Choi, un étudiant diplômé de Penn State et l'un des auteurs de l'article. "Cela aurait pu être dans l'océan, en eau saumâtre, ou en eau douce. Les compartiments étaient stables à des concentrations de sel suffisamment élevées pour suggérer qu'ils constituent un modèle pertinent pour l'une de ces situations. »

Lorsque des molécules d'ARN simple brin ont été ajoutées à la solution, les compartiments fabriqués à partir de polymères plus courts étaient mieux à même de séquestrer l'ARN que les compartiments fabriqués à partir de polymères plus longs. Les molécules d'ARN à l'intérieur des compartiments étaient concentrées jusqu'à 500 fois la solution environnante. Les molécules d'ARN double brin étaient également séquestrées par les compartiments et étaient plus stables dans les compartiments constitués de polymères plus courts.

L'équipe de recherche a également testé la capacité de l'ARN à maintenir son repliement et sa structure tridimensionnelle à l'intérieur des compartiments.

« Dans les conditions que nous avons testées, L'ARN a formé une grande partie de sa structure secondaire mais n'a pas maintenu son repliement entièrement natif à l'intérieur des compartiments, " a déclaré McCauley O. Meyer, un étudiant diplômé à Penn State et un auteur de l'article. "Nous n'avons vu pratiquement aucune différence en fonction de la taille des polymères formant les compartiments, il se peut donc que nous n'ayons pas eu assez d'un élément clé, quelque chose comme le magnésium, ce qui est important pour le repliement de l'ARN entièrement natif."

The results show that even with simple small components, compartments that are capable of many of the hallmarks of protocells can be made.

"It's a powerful finding to see that we can make these compartments out of such short polymers and in some ways, like accumulating RNAs, they function better than ones made from longer polymers, " said Keating. "Our findings suggest that even if only smaller molecules were available on the early Earth, functional compartments could form. Heures supplémentaires, larger molecules could have been incorporated as they became available."

The researchers emphasize that the polymers they are using capture the essence of plausible early Earth molecules but are likely not like the ones available on the early Earth, except in size. They stated that they are not attempting to recreate the conditions of early Earth that led to the evolution of life.

"What we're after is not the precise transcript of what happened on Earth billions of years ago, " said Phil Bevilacqua, distinguished professor of chemistry and of biochemistry and molecular biology at Penn State, and one of the leaders of the research team. "Au lieu, we want to know how feasible it is for life to start. We're exploring boundary conditions, and you have to have short polymers before you get long polymers."