研究表明微小的隔间是如何先于细胞的

一种理论认为，早期地球上的干湿循环--无论是经历多雨/干旱时期，还是间歇泉等现象--助长了分子的复杂性。水化/再水化循环被认为创造了条件，使得被称为复杂凝聚体的无膜室成为化学物质结合创造生命的家园。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的科学家利用阿贡国家实验室的先进光子源，在这些聚合物隔间经历相变时对它们进行了研究，以了解它们在干湿循环期间到底发生了什么。

10月27日发表在“自然通讯”(Nature Communications)上的这一结果，不仅可以进一步揭示地球上的益生菌，而且还可能对电子设备和药物输送系统的设计产生影响。

这篇论文的合著者、普利兹克分子工程学院院长、罗伯特·A·米利根杰出服务教授马修·蒂雷尔(Matthew Tirrell)说，“观察这些聚合物组件在复杂环境中的变化，有助于我们了解这些隔室在早期地球上的行为，以及我们未来如何使用它们。”

在宾夕法尼亚州立大学领导的研究中，科学家们检查了与池塘水组成相同的水中的聚电解质凝聚物。池塘定期干涸，然后雨水补给。这种循环脱水和再水化通过降低阻止它们结合的热力学屏障，使氨基酸和核苷酸等分子构件更容易组装成肽和蛋白质，如DNA和RNA。

Tirrell实验室是聚电解质凝聚体等聚合物隔室的专家，此前曾描述过这些材料在不同相变下的行为。

PME的研究人员使用阿贡先进光子源的小角X射线散射来观察干湿条件变化时凝聚体的内部结构。他们发现，随着水样的干燥，RNA的浓度会增加，但聚合物隔间内的RNA浓度保持不变。他们还发现，随着水的干燥，样品的盐浓度增加，削弱了聚合物的相互作用，这实际上使隔间更加水合。

Tirrell说，反复的水合和脱水循环“导致了隔室的渐进式进化”，这永久性地改变了凝聚物的组成。

Tirrell团队的博士后研究员Alexander Marras说：“这改变了凝聚体的物理性质，并影响分子交换，这可能是早期生命如何开始的线索。”

了解动态条件如何影响凝聚体，可能会对在视觉显示或药物输送中使用聚合物隔间的电子设备产生影响。像这样的隔间可以用来在体内进行治疗，了解聚合物如何组装并对不断变化的条件做出反应是设计新的药物输送方式的关键。

Marras、前UChicago博士后Jeffrey Ting和宾夕法尼亚州立大学的研究人员在瑞士举行的戈登研究会议上结成了这项研究合作。宾夕法尼亚州立大学的研究人员最终领导了这项研究，他们对研究凝聚物在早期地球上的行为很感兴趣。在一次冰川徒步旅行中，丁、玛拉斯和宾夕法尼亚州立大学的研究人员讨论了他们如何通过使用先进的光子源来查看舱内的情况。

“阿贡真的是一个世界级的设施，让我们走在这类工作的前沿，”Marras说。

这篇论文的其他作者包括丁，现在是3M的一名高级聚合物科学家，以及宾夕法尼亚州立大学的哈迪·M·法雷斯和克里斯汀·D·基廷。

引文：“干湿循环对复合凝聚体的相行为和隔室性质的影响”，Fares et。Al，自然通讯，2020年10月27日。DOI：10.1038/s41467020-19184-z