Desbloqueo de la química de la Tierra primitiva: la sal

Instituto de Tecnología de Tokio

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Crédito: Tecnología de Tokio

Hace miles de millones de años, la Tierra era un planeta extremadamente hostil con volcanes activos, una atmósfera dura y ¡ciertamente sin vida! Esta Tierra prebiótica, sin embargo, estaba llena de una amplia gama de moléculas orgánicas abióticas derivadas de su entorno primitivo, que sufrieron reacciones químicas que finalmente llevaron al origen de la vida. Una clase de tales moléculas abióticas abundantes durante la era prebiótica fueron los monómeros de 𝛼-hidroxiácidos (𝛼HA) con estructuras algo similares a las de los 𝛼-aminoácidos esenciales para la vida moderna. Sin embargo, su abundancia actual en biología es baja.

Las microgotas de poliéster generadas a partir de la deshidratación y rehidratación de los monómeros 𝛼HA se propusieron como modelos de protocélulas y podrían haber sido un tipo de compartimento primitivo que interactuaba con varios analitos primitivos, como las sales dentro de entornos acuosos primitivos, y los absorbía. Sin embargo, las interacciones sal-poliéster y la absorción de sal dentro de las microgotas de poliéster siguen estando poco estudiadas debido a la falta de técnicas analíticas adecuadas.

Para cerrar esta brecha en la comprensión, un equipo de investigadores dirigido por el investigador posdoctoral especial Chen Chen de RIKEN (anteriormente del Instituto de Tecnología de Tokio) y el profesor asociado especialmente designado Tony Z. Jia del Instituto de Ciencias de la Vida de la Tierra en el Instituto de Tecnología de Tokio han Recientemente se le ocurrió una nueva estrategia para investigar el efecto de la absorción de sal en las microgotas de poliéster. Su avance, publicado en Small Methods el 18 de mayo de 2023, propuso una forma novedosa de utilizar métodos espectroscópicos y biofísicos existentes para caracterizar la absorción de sal por microgotas de poliéster y comprender su comportamiento mediado por la sal.

"Moléculas primitivas como 𝛼HA y poliésteres, aunque no tan comúnmente utilizadas por los sistemas vivos actuales como los aminoácidos, pueden haber sentado las bases para la evolución de los sistemas químicos primitivos que condujeron al origen de la vida en la Tierra. Examinando la interacción de poliésteres con diferentes analitos prebióticos, como las sales, y determinar si las gotas de poliéster pueden absorber las sales puede proporcionar información sobre las funciones relevantes exhibidas por los compartimentos primitivos", explica el profesor Jia.

Los 𝛼HA como el ácido ᴅʟ-3-feniláctico (PA) pueden deshidratarse en condiciones similares a las de la Tierra primitiva para formar poliésteres similares a gel; la rehidratación adicional da como resultado el ensamblaje de microgotas sin membrana. Se ha descubierto previamente que estas gotitas sin membrana segregan analitos primitivos como ácidos nucleicos, moléculas orgánicas pequeñas y proteínas.

Los estudios han planteado la hipótesis de que la vida se originó y evolucionó en ambientes acuosos antiguos. Si las microgotas de poliéster existieran en ambientes acuosos primitivos, entonces también podrían haber absorbido sales, un analito importante que se encuentra en ambientes acuosos primitivos, que posteriormente también podrían haber cambiado la estructura de las microgotas. Por lo tanto, el equipo sometió varios 𝛼HA, como PA (un monómero neutro), ácido málico (un monómero con una cadena lateral ácida) y ácido 4-amino-2-hidroxibutírico (un monómero con una cadena lateral básica) a la síntesis de deshidratación. , seguido de rehidratación en medio acuoso para generar microgotas de poliéster neutras, que contienen residuos ácidos y que contienen residuos básicos. De hecho, ¡este estudio fue el primero en mostrar la plausibilidad de las microgotas de poliéster que contienen residuos ácidos! Luego incubaron las microgotas de poliéster en soluciones acuosas que consistían en diferentes concentraciones de diferentes sales de cloruro (NaCl, KCl, MgCl2 y CaCl2) que pueden haber sido abundantes en los océanos primitivos.

Después de la absorción de sal, las microgotas de poliéster se sometieron a una nueva técnica analítica que utiliza espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) para analizar la concentración de cationes de sal dentro de las microgotas. Los análisis se realizaron en colaboración con investigadores del Pheasant Memorial Lab del Instituto de Materiales Planetarios de la Universidad de Okayama, donde se encontraba el ICP-MS, como parte de una subvención de colaboración de uso conjunto. Además, en colaboración con otros miembros, cada uno con especialidades únicas, el equipo combinó ICP-MS con otros métodos analíticos espectroscópicos y biofísicos, como análisis de potencial zeta, densidad óptica, dispersión de luz dinámica e imágenes micro-Raman para estudiar en detalle cómo la absorción de sal afecta el potencial superficial, la turbidez de las gotas, el tamaño y la distribución interna del agua, respectivamente, de las microgotas.

Los resultados indicaron que las microgotas poseían la capacidad de dividir selectivamente los cationes de sal, lo que condujo a una coalescencia diferencial de las microgotas, probablemente debido a la reducción de las repulsiones electrostáticas entre las microgotas como resultado de la neutralización de la carga superficial por parte de las sales absorbidas, que se ubicaron preferentemente en la superficie de la gota. El presente estudio destaca que incluso cambios leves en la absorción de sal podrían afectar significativamente la estructura de las protocélulas, lo que podría explicar la diversidad en las químicas de los sistemas primitivos que surgieron en diferentes sistemas acuosos, que van desde agua dulce hasta salmueras oceánicas e hipersalinas bajo el océano. "La adopción de una estrategia novedosa y altamente sensible para analizar la absorción de sal por microgotas de poliéster amplió la gama de sustancias químicas primitivas conocidas que podrían haber tenido un efecto en la estructura y función de las protocélulas primitivas. Esto abre nuevas vías para futuras investigaciones con respecto a la relevancia de las microgotas de poliéster. durante los orígenes de la vida tanto dentro como fuera de la Tierra", concluye el Dr. Chen.

Métodos pequeños

10.1002/smtd.202300119

Estudio experimental

No aplica

Métodos espectroscópicos y biofísicos para determinar la absorción diferencial de sal por microgotas de poliéster sin membrana primitivas

18-may-2023

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