Открытие ранней химии Земли: соль

Токийский технологический институт

изображение: -посмотреть больше

Кредит: Токийский технологический институт

Миллиарды лет назад Земля была чрезвычайно враждебной планетой с действующими вулканами, суровой атмосферой и, конечно же, отсутствием жизни! Однако эта пребиотическая Земля была наполнена широким спектром абиотических органических молекул, полученных из ее ранней окружающей среды, которые претерпели химические реакции, которые в конечном итоге привели к возникновению жизни. Классом таких абиотических молекул, которых было много в эпоху добиотиков, были 𝛼-гидроксикислоты (𝛼HA) – мономеры со структурой, несколько похожей на структуру 𝛼-аминокислот, необходимых для современной жизни. Однако их нынешняя численность в биологии невелика.

Микрокапли полиэстера, образующиеся в результате дегидратации и регидратации мономеров 𝛼HA, были предложены в качестве моделей протоклеток и могли быть типом примитивного компартмента, который взаимодействовал и поглощал различные примитивные аналиты, такие как соли, в примитивной водной среде. Однако взаимодействие соли и полиэфира и поглощение соли внутри микрокапель полиэстера остается плохо изученным из-за отсутствия соответствующих аналитических методов.

Чтобы устранить этот пробел в понимании, группа исследователей под руководством специального постдокторанта Чэнь Чена из RIKEN (ранее Токийского технологического института) и специально назначенного доцента Тони З. Цзя из Института наук о жизни на Земле Токийского технологического института недавно разработали новую стратегию исследования влияния поглощения соли на микрокапли полиэстера. Их прорыв, опубликованный в журнале Small Methods 18 мая 2023 года, предложил новый способ использования существующих спектроскопических и биофизических методов для характеристики поглощения соли полиэфирными микрокапельками и понимания их поведения, опосредованного солью.

«Примитивные молекулы, такие как 𝛼ГК и полиэфиры, хотя и не так часто используются современными живыми системами, как аминокислоты, возможно, заложили основу для эволюции примитивных химических систем, которые привели к зарождению жизни на Земле. Изучение взаимодействия полиэфиров с различные пребиотические аналиты, такие как соли, и определение того, могут ли капли полиэстера поглощать соли, могут дать представление о соответствующих функциях, выполняемых примитивными компартментами», — объясняет профессор Цзя.

𝛼HA, такие как ᴅʟ-3-фенилмолочная кислота (PA), могут подвергаться дегидратации в условиях, имитирующих раннюю Землю, с образованием гелеобразных полиэфиров; дальнейшая регидратация приводит к сборке безмембранных микрокапель. Ранее было обнаружено, что эти безмембранные капли способны разделять примитивные аналиты, такие как нуклеиновые кислоты, небольшие органические молекулы и белки.

Исследования выдвинули гипотезу, что жизнь зародилась и развивалась в древней водной среде. Если бы микрокапли полиэстера существовали в примитивной водной среде, то они могли бы также поглотить соли, основной аналит, обнаруженный в примитивной водной среде, что впоследствии также могло изменить структуру микрокапель. Таким образом, команда подвергла различные 𝛼ГК, такие как PA (нейтральный мономер), яблочную кислоту (мономер с кислой боковой цепью) и 4-амино-2-гидроксимасляную кислоту (мономер с основной боковой цепью), дегидратационному синтезу. с последующей регидратацией в водной среде с образованием микрокапель полиэфира, содержащих нейтральный, содержащий кислотный остаток, и содержащий основной остаток полиэфира. Фактически, это исследование было первым, которое показало правдоподобность существования микрокапель полиэстера, содержащих кислотные остатки! Затем они инкубировали микрокапли полиэстера в водных растворах, состоящих из различных концентраций различных хлоридных солей (NaCl, KCl, MgCl2 и CaCl2), которые, возможно, были в изобилии в ранних океанах.

После поглощения соли микрокапли полиэстера были подвергнуты новому аналитическому методу с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) для анализа концентрации катионов соли внутри микрокапель. Анализы проводились в сотрудничестве с исследователями из Мемориальной лаборатории фазанов Института планетарных материалов Университета Окаямы, где располагался ИСП-МС, в рамках совместного гранта на совместное использование. Кроме того, в сотрудничестве с другими членами, каждый из которых имеет уникальную специализацию, команда затем объединила ИСП-МС с другими спектроскопическими и биофизическими аналитическими методами, такими как анализ дзета-потенциала, оптическая плотность, динамическое рассеяние света и микрорамановская визуализация, для детального изучения. как поглощение соли влияет на поверхностный потенциал, мутность капель, размер и внутреннее распределение воды соответственно в микрокаплях.