A team of Massachusetts General Hospital (MGH) investigators working to create "protocells" -- primitive 

synthetic cells consisting of a nucleic acid strand encased within a membrane-bound compartment -- have 

accomplished an important step towards their goal. In the November 28 issue of Science, the investigators 

describe a solution to what could have been a critical problem -- the potential incompatibility between a chemical 

requirement of RNA copying and the stability of the protocell membrane.

       "For the first time, we've been able to do nonenzymatic RNA copying inside fatty acid vesicles," says 

Jack Szostak, PhD, of the MGH Department of Molecular Biology and the Center for Computational and Integrative 

Biology. "We've found a solution to a longstanding problem in the origin of cellular life: RNA copying chemistry requires 

the presence of the magnesium ion Mg2+, but high Mg2+ levels can break down the simple, fatty acid membranes that 

probably surrounded the first living cells."

         Szostak's team has been working for more than a decade to understand how the first cells developed from a "

primordial soup" of chemicals into living organisms capable of copying their genetic material and reproducing. Part of that 

work is developing a model protocell made from components probably present in the primitive Earth environment. They have 

made significant progress towards developing cell membranes from the kind of fatty acids that would have been abundant and 

naturally form themselves into bubble-like vesicles when concentrated in water. But the genetic component -- an RNA or DNA 

molecule capable of replication -- has been missing.Since the primitive environment in which such cells could have developed 

would not have had the kind of complex enzymes that modern cells use in replicating nucleic acids, Szostak and lead author 

Katarzyna Adamala, PhD, then a graduate student in Szostak's lab, investigated whether simple chemical processes could 

drive nonenzymatic replication of RNA, which many scientists believe was the first nucleic acid to develop.

          To address the incompatibility between the need for Mg2+ to drive assembly of the RNA molecule and the ion's ability to 

degrade fatty acid membranes, they tested several chelators -- small molecules that bind tightly to metal ions -- for their ability 

to protect fatty acid vesicles from the potentially destabilizing effects of Mg2+. Citrate and several other chelators were found to 

be effective in protecting the membranes of fatty acid vesicles from disruption.

To test whether the presence of the tested chelators would allow Mg2+-catalyzed RNA assembly, the investigators placed 

molecules consisting of short primer RNA strands bound to longer RNA templates into fatty acid vesicles. The unbound, 

single-strand portion of the template consisted of a sequence of cytosine (C) nucleotides. In the presence of Mg2+ and 

one of four chelating molecules, one of which was citrate, the researchers then added activated G, the nucleotide that base-pairs 

with C in nucleic acids.

         The desired reaction -- diffusion of G nucleotides through the vesicle membrane to complete a double-stranded RNA molecule 

by binding to the C nucleotides of the template -- proceeded fastest in the presence of citrate. In fact two of the other tested chelators 

completely prevented extension of the RNA primer."While other molecules can protect membranes against the magnesium ion," Szostak 

explains, "they don't let RNA chemistry go on. We think that citrate is able both to protect membranes and to allow RNA copying to proceed 

by covering only one face to the magnesium ion, protecting the membrane while allowing RNA chemistry to work." He and Adamala also 

found that continually refreshing the activated guanine nucleotide solution by flushing out broken down molecules and adding fresh nucleotides 

improved the efficiency of RNA replication.

          Szostak notes that, while citrate may be appropriate for creating artificial cells in a laboratory environment, which he and his team are 

pursuing, it probably would not have been present in sufficient quantities in the early earth. "We have shown there is at least one way to make 

RNA replication chemistry compatible with primitive, fatty-acid-based cell membranes, but this opens up new questions. 

Our current best guess is there must have been some sort of simple peptides that acted in a similar way to citrate, and finding such peptides

 is something we are working on now."