Concepts, perspectives and implications of a hybrid system made of nucleic acids biopolymers and hydroxyapatite mineral

Abstract

The origin of building blocks of life and how life thrived on Earth remains a topic of high interest for researchers of the Origin of Life. In this thesis, we deal with concepts, perspectives and implications of the system termed hydroxyolite, a combination of outstanding biopolymers (nucleic acids such as DNA and RNA) and an exceptional mineral (hydroxyapatite). First we study, based on Revilla et al. (2013) and Bertran et al. (2014), how hydroxyapatite forms crystals able to encapsulate DNA or RNA when nucleic acids are used as a nucleating template. Later, in Bertran et al., (2016), we reported the mechanism of how the encapsulated nucleic acid is released to the surroundings when environmental conditions change, for instance becoming more acidic. As a consequence, we postulated that DNA existing in cells can be encapsulated and protected by hydroxyapatite against environmental attacks (i.e. poisonous gases, gamma radiation or enzymatic degradation) until they change, making feasible the reintroduction of nucleic acids in the mainstream of life. We hypothesized about the implications of such a system in the early history of life when mass extinction events occurred on Earth (Turon et al., 2015). Moreover, we extended the hydroxyolite concept, borrowed from the materials chemistry, to other disciplines such as paleontology, biology, biotechnology and medicine by considering hydroxyolites as equivalents to non-viral vectors that can introduce and release DNA into a cell (transfection). Such nucleic acid triggers the expression of foreign proteins if released in the cytosol or might be recombined with cell genome when DNA is released in the target cell nucleus. In the second part of the thesis, we studied the hydroxyolite system from a complementary perspective. We speculate about the consequences of being hydroxyapatite the first actor and not the nucleic acid. We propose that hydroxyapatite might act as an inorganic mold if considered as a catalytic substrate that facilitates the synthesis of simple organic molecules as the building blocks of life. Thus, we identified a prebiotic scenario, a volcanic eruption under lightning, where a phenomenon known as dirty storm usually occurs under certain conditions. Hydroxyapatite is known in nature to be part of igneous rocks and volcanic ash in small but significant concentrations. We replicated in the laboratory such extreme conditions by developing a thermally and electrically stimulated polarization. A process performed at 1000 ºC and under a difference of potential of 300 kV·m-1, to obtain permanently polarized hydroxyapatite (Turon et al., 2016; PCT/EP2017/069437) that turned out to be an enhanced catalyst compared to hydroxyapatite able to fix nitrogen and carbon from a gas mixture of N2, CO2 and CH4 (Rivas et al., 2018). The catalyst, under UV light, converts them into amino acids (Glycine and D/L-Alanine) and small organic molecules by means of a new inorganic photosynthetic process. In this work, we develop an integrative prebiotic model that describes how simple molecules might be synthesized from mildly reducing atmospheres by combining previous models such as volcanos as giant reactors, minerals as catalysts and photochemical reactions in the atmosphere under prebiotic sun light. All of them under the framework of a prebiotic inorganic photosynthesis, a process that might be considered the corner stone of the rise of the building blocks of life.

L’origen de les molècules que van donar lloc a la vida i com la vida va prosperar a la Terra segueix essent un tema del màxim interès pels investigadors de l’origen de la vida. En aquesta tesi, discutim conceptes, perspectives de futur i implicacions del sistema que hem anomenat hidroxiolita (hydroxyolite), una combinació de biopolímers amb característiques molt especials (àcids nucleics com l’ADN i l’ARN) i un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lloc, en els treballs Revilla et al., (2013) i Bertran et al., (2014) estudiem com els cristalls d’hidroxiapatita tenen la capacitat d’encapsular ADN o ARN quan l’àcid nucleic es comporta com agent nucleant. Reportem com l’àcid nucleic prèviament encapsulat pot ser alliberat si les condicions ambientals canvien, per exemple tornant-se lleugerament més àcides (Bertran et al., 2016). Com a conseqüència, postulem que l’ADN existent a les cèl·lules pot ser encapsulat per la hidroxiapatita protegint-lo contra atacs de l’entorn (per exemple, la influència de gasos tòxics, la radiació gamma o la degradació enzimàtica) fins que les condicions externes canvien i els àcids nucleics poder ser reintroduïts en el torrent principal de la vida. Discutim les implicacions d’aquest sistema híbrid a la història primitiva de la vida a la Terra, quan van ocórrer les grans catàstrofes que van donar lloc a extincions massives d’éssers vius. Tanmateix, estenem el concepte d’hidroxiolita a altres disciplines com la paleontologia, la biologia cel·lular, la biotecnologia i la medicina, considerant les hidroxiolites com a vectors no virals que poden introduir i alliberar ADN dins una cèl·lula (transfecció). Aquest àcid nucleic, si s’allibera en el citosol pot desencadenar l’expressió de proteïnes codificades en l’ADN introduït, o si s’allibera en el nucli podria recombinar-se amb el propi ADN de la cèl·lula diana de manera transitòria o permanent. A la segona part de la tesi, estudiem el sistema hidroxiolita des d’una perspectiva complementària. Especulem sobre les conseqüències de ser la hidroxiapatita l’actor principal del sistema i no l’àcid nucleic. Proposem que la hidroxiapatita pot actuar com un motlle inorgànic si es comporta com a substrat catalític que facilita la síntesi de molècules orgàniques, com les molècules que van donar lloc a la vida. A partir d’aquest concepte hem identificat un escenari prebiòtic, una erupció volcànica acompanyada de descàrregues elèctriques, fenomen que succeeix amb certa freqüència en funció de les característiques de l’erupció. La hidroxiapatita a la natura és coneguda per formar part de la composició de roques ígnies i de la cendra volcànica en petites però significatives quantitats. Al laboratori hem replicat aquestes condicions extremes i hem desenvolupat un procés de polarització mitjançant estimulació elèctrica i tèrmica, aplicant 1000 ºC i una diferència de potencial de 300 kV·m-1, que dóna com a resultat hidroxiapatita polaritzada permanentment que converteix el mineral en un catalitzador extraordinari comparat amb la hidroxiapatita i que té la capacitat de fixar nitrogen i carboni a partir d’una mescla de gasos composada per N2, CO2 i CH4 en presència d’aigua. El catalitzador, sota il·luminació de llum UV facilita la conversió d’aquests gasos en aminoàcids (Glicina i D/L-Alanina) i en molècules orgàniques simples a través d’un procés fotosintètic inorgànic. En aquest treball, desenvolupem un model prebiòtic que descriu com molècules senzilles van poder ser sintetitzades a partir d’atmosferes suaument reductores combinant models prebiòtics previs (volcans que es comporten com grans reactors, reaccions fotoquímiques que succeeixen a l’atmosfera sota el sol prebiòtic i minerals que actuen com a catalitzadors) sota el marc de la fotosíntesi inorgànica prebiòtica, un procés que podria ser considerat la pedra angular de l’aparició de les molècules que van donar lloc a la vida.

El origen de las moléculas que dieron lugar a la vida y como la vida prosperó en la Tierra sigue siendo un tema del máximo interés para los investigadores del Origen de la Vida. En esta tesis discutimos conceptos, perspectivas de futuro e implicaciones del sistema que hemos denominado hidroxiolita (hydroxyolite), una combinación de biopolímeros con características muy especiales (ácidos nucleicos tales como el ADN y el ARN) y un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lugar, en nuestros trabajos Revilla et al. (2013) y Bertrán et al. (2014) estudiamos como los cristales de hidroxiapatita tienen la capacidad de encapsular ADN o ARN cuando el ácido nucleico se comporta como un agente nucleante. A continuación, reportamos como el ácido nucleico previamente encapsulado puede ser liberado cuando las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, cuando se vuelven ligeramente más ácidas (Bertrán et al., 2016). A consecuencia, postulamos que el ADN existente en las células puede ser encapsulado por la hidroxiapatita protegiéndolo contra ataques del entorno (por ejemplo, la influencia de gases tóxicos, la radiación gamma o la degradación enzimática) hasta que cambian las condiciones externas y los ácidos nucleicos pueden ser reintroducidos de nuevo en el torrente principal de la vida. A continuación, discutimos las implicaciones de este sistema híbrido en la historia primitiva de la vida en la Tierra, cuando ocurrieron las grandes catástrofes que dieron lugar a extinciones masivas de seres vivos (Turon et al., 2015). Asimismo, extendemos el concepto hidroxiolita, acuñado en la ciencia de materiales, a otras disciplinas como la paleontología, la biología celular, la biotecnología y la medicina, considerando las hidroxiolitas como vectores no virales que pueden introducir y liberar ADN dentro de una célula (transfección). Este ácido nucleico, si es liberado en el citosol puede desencadenar la expresión de proteínas codificadas en el ADN introducido, o si se libera en el núcleo podría recombinarse con el propio ADN de la célula diana de forma transitoria o permanente. En la segunda parte de la tesis, estudiamos el sistema hidroxiolita desde una perspectiva complementaria. Especulamos sobre las consecuencias de ser la hidroxiolita el actor principal y no el ácido nucleico. Proponemos que la hidroxiolita puede actuar como un molde inorgánico si se comporta como un sustrato catalítico que facilita la síntesis de moléculas orgánicas, como las moléculas que dieron lugar a la vida. Hemos identificado un escenario prebiótico basado en una erupción volcánica con descargas eléctricas, fenómeno que ocurre con cierta frecuencia en función de las características de la erupción. La hidroxiapatita es conocida en la naturaleza por formar parte de la composición de rocas ígneas y ceniza volcánica en bajas pero significativas concentraciones. Hemos replicado en el laboratorio estas condiciones extremas y hemos desarrollado un proceso de polarización mediante estimulación térmica y eléctrica, aplicando 1000ºC y una diferencia de potencial de 300 kV·m-1, que da como resultado hidroxiapatita permanentemente polarizada (Turón et al, 2016; PCT/EP2017/069437). Este proceso convierte el mineral en un catalizador extraordinario comparado con la hidroxiapatita y tiene la capacidad de fijar nitrógeno y carbono a partir de una mezcla de gases compuesta por N2, CO2 y CH4 (Rivas et al., 2018) en presencia de agua. El catalizador, bajo iluminación de luz UV, facilita la conversión de estos gases en aminoácidos (Glicina y D/L-Alanina) y en ácidos orgánicos simples a través de un proceso de fotosíntesis inorgánica. En este trabajo desarrollamos un modelo prebiótico que describe como moléculas sencillas pudieron ser sintetizadas a partir de atmósferas suavemente reductores combinando modelos prebióticos ya existentes (volcanes que se comportan grandes reactores, reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmosfera bajo el sol prebiótico y minerales que actúan como catalizadores) bajo el marco de una fotosíntesis prebiótica inorgánica, un proceso que podría ser considerado la piedra angular en la que se basó la aparición de las moléculas que dieron lugar a la vida.