Die frühe Chemie der Erde erschließen: Salz

Tokioter Institut für Technologie

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Vor Milliarden von Jahren war die Erde ein äußerst lebensfeindlicher Planet mit aktiven Vulkanen, einer rauen Atmosphäre und schon gar keinem Leben! Diese präbiotische Erde war jedoch mit einer Vielzahl abiotischer organischer Moleküle gefüllt, die aus ihrer frühen Umgebung stammten und chemische Reaktionen eingingen, die schließlich zur Entstehung des Lebens führten. Eine Klasse solcher abiotischer Moleküle, die während der präbiotischen Ära häufig vorkamen, waren die 𝛼-Hydroxysäuren (𝛼HA) – Monomere mit Strukturen, die denen der für das moderne Leben essentiellen 𝛼-Aminosäuren etwas ähneln. Ihre derzeitige Häufigkeit in der Biologie ist jedoch gering.

Polyester-Mikrotröpfchen, die durch Dehydratisierung und Rehydratisierung von 𝛼HA-Monomeren erzeugt wurden, wurden als Protozellmodelle vorgeschlagen und könnten eine Art primitives Kompartiment gewesen sein, das mit verschiedenen primitiven Analyten interagierte und diese aufnahm, beispielsweise Salze in primitiven wässrigen Umgebungen. Salz-Polyester-Wechselwirkungen und Salzaufnahme in Polyester-Mikrotröpfchen sind jedoch aufgrund des Mangels an geeigneten Analysetechniken nach wie vor nur unzureichend untersucht.

Um diese Wissenslücke zu schließen, hat ein Forscherteam unter der Leitung des Sonderpostdoktoranden Chen Chen vom RIKEN (ehemals Tokyo Institute of Technology) und des speziell ernannten außerordentlichen Professors Tony Z. Jia vom Earth-Life Science Institute am Tokyo Institute of Technology dies getan haben kürzlich eine neue Strategie zur Untersuchung der Auswirkung der Salzaufnahme auf Polyester-Mikrotröpfchen entwickelt. Ihr Durchbruch, der am 18. Mai 2023 in Small Methods veröffentlicht wurde, schlug eine neuartige Möglichkeit vor, bestehende spektroskopische und biophysikalische Methoden zu nutzen, um die Salzaufnahme durch Polyester-Mikrotröpfchen zu charakterisieren und ihr salzvermitteltes Verhalten zu verstehen.

„Primitive Moleküle wie 𝛼HAs und Polyester, obwohl sie von heutigen lebenden Systemen nicht so häufig verwendet werden wie Aminosäuren, könnten den Grundstein für die Entwicklung primitiver chemischer Systeme gelegt haben, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde führten. Untersuchung der Wechselwirkung von Polyestern mit „Verschiedene präbiotische Analyten wie Salze und die Bestimmung, ob Polyestertröpfchen Salze aufnehmen können, können Einblicke in die relevanten Funktionen primitiver Kompartimente geben“, erklärt Prof. Jia.

𝛼HAs wie ᴅʟ-3-Phenylmilchsäure (PA) können unter Bedingungen, die der frühen Erde nachahmen, dehydrieren und gelartige Polyester bilden; Eine weitere Rehydrierung führt zur Bildung membranloser Mikrotröpfchen. Es wurde bereits früher festgestellt, dass diese membranlosen Tröpfchen primitive Analyten wie Nukleinsäuren, kleine organische Moleküle und Proteine ​​trennen.

Studien haben die Hypothese aufgestellt, dass das Leben in alten wässrigen Umgebungen entstand und sich entwickelte. Wenn Polyester-Mikrotröpfchen in primitiven wässrigen Umgebungen existierten, dann hätten sie möglicherweise auch Salze aufgenommen, einen wichtigen Analyten, der in primitiven wässrigen Umgebungen vorkommt, was anschließend auch die Struktur der Mikrotröpfchen verändert haben könnte. Daher unterzog das Team verschiedene 𝛼HAs, wie PA (ein neutrales Monomer), Äpfelsäure (ein Monomer mit einer sauren Seitenkette) und 4-Amino-2-hydroxybuttersäure (ein Monomer mit einer basischen Seitenkette), einer Dehydratisierungssynthese , gefolgt von einer Rehydratisierung in wässrigem Medium, um neutrale, saure Rückstände enthaltende und basische Rückstände enthaltende Polyester-Mikrotröpfchen zu erzeugen. Tatsächlich war diese Studie die erste, die die Plausibilität von Polyester-Mikrotröpfchen mit sauren Rückständen zeigte! Anschließend inkubierten sie die Polyester-Mikrotröpfchen in wässrigen Lösungen, die aus unterschiedlichen Konzentrationen verschiedener Chloridsalze (NaCl, KCl, MgCl2 und CaCl2) bestanden, die möglicherweise in frühen Ozeanen reichlich vorhanden waren.

Nach der Salzaufnahme wurden die Polyester-Mikrotröpfchen einer neuartigen Analysetechnik unterzogen, die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) nutzte, um die Salzkationenkonzentration innerhalb der Mikrotröpfchen zu analysieren. Die Analysen wurden in Zusammenarbeit mit Forschern des Pheasant Memorial Lab am Institut für Planetenmaterialien der Universität Okayama, wo sich das ICP-MS befand, im Rahmen eines Gemeinschaftsstipendiums zur gemeinsamen Nutzung durchgeführt. Darüber hinaus koppelte das Team in Zusammenarbeit mit anderen Mitgliedern, von denen jedes über einzigartige Spezialgebiete verfügte, ICP-MS mit anderen spektroskopischen und biophysikalischen Analysemethoden wie Zetapotentialanalyse, optischer Dichte, dynamischer Lichtstreuung und Mikro-Raman-Bildgebung, um detaillierte Untersuchungen durchzuführen wie sich die Salzaufnahme auf das Oberflächenpotential, die Trübung der Tröpfchen, die Größe und die interne Wasserverteilung der Mikrotröpfchen auswirkt.

Die Ergebnisse zeigten, dass Mikrotröpfchen die Fähigkeit besitzen, Salzkationen selektiv zu verteilen, was zu einer unterschiedlichen Koaleszenz von Mikrotröpfchen führt, was wahrscheinlich auf verringerte elektrostatische Abstoßungen zwischen den Mikrotröpfchen infolge der Neutralisierung der Oberflächenladung durch die aufgenommenen Salze zurückzuführen ist, die sich bevorzugt auf der Tröpfchenoberfläche ansiedeln. Die vorliegende Studie hebt hervor, dass selbst geringfügige Änderungen in der Salzaufnahme die Protozellstruktur erheblich beeinflussen könnten, was möglicherweise für die Vielfalt in der Chemie primitiver Systeme verantwortlich sein könnte, die in verschiedenen wässrigen Systemen entstanden sind – von Süßwasser über ozeanische bis hin zu hypersalinen Unterwassersolen. „Die Einführung einer neuartigen und hochempfindlichen Strategie zur Analyse der Salzaufnahme durch Polyester-Mikrotröpfchen erweiterte das Spektrum bekannter primitiver Chemikalien, die einen Einfluss auf die Struktur und Funktion primitiver Protozellen haben könnten. Dies eröffnet neue Wege für zukünftige Untersuchungen hinsichtlich der Relevanz von Polyester-Mikrotröpfchen.“ während der Entstehung des Lebens auf und außerhalb der Erde“, schließt Dr. Chen.

Kleine Methoden

10.1002/smtd.202300119

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Spektroskopische und biophysikalische Methoden zur Bestimmung der unterschiedlichen Salzaufnahme durch primitive membranlose Polyester-Mikrotröpfchen

18. Mai 2023

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