'Verscheidene vragen over de oorsprong van het leven zijn beantwoord, maar er moet nog veel worden bestudeerd'', zeiden Stanley Miller en Harold Urey in 1959 nadat ze in een laboratorium de synthese van aminozuren in primitieve aarde-omstandigheden hadden gerapporteerd. Veel vooruitgang langs de lijn, maar de wetenschappers worstelen al lang met een fundamentele vraag - welk genetisch materiaal werd het eerst gevormd op de primitieve aarde, DNA of RNA, of een beetje van beide? Er is nu bewijs dat suggereert dat DNA en RNA beide naast elkaar hebben bestaan in de oersoep van waaruit de levensvormen kunnen zijn geëvolueerd met respectief genetisch materiaal.
Het centrale dogma van de moleculaire biologie stelt dat: DNA merken RNA merken eiwitten. Eiwitten zijn verantwoordelijk voor de meeste, zo niet alle reacties die in een organisme plaatsvinden. De volledige functionaliteit van een organisme is grotendeels afhankelijk van hun aanwezigheid en interactie van eiwit moleculen. Volgens het centrale dogma worden eiwitten geproduceerd door de informatie in DNA dat wordt omgezet in functioneel eiwit via een boodschapper die RNA wordt genoemd. Het is echter mogelijk dat eiwitten zelf onafhankelijk kunnen overleven zonder DNA of RNA, zoals het geval is met prionen (verkeerd gevouwen eiwitmoleculen die geen DNA of RNA bevatten), maar op zichzelf kunnen overleven.
Er kunnen dus drie scenario's zijn voor het ontstaan van leven.
A) Als de eiwitten of de bouwstenen ervan in staat waren zich abiotisch te vormen tijdens de atmosfeer die miljarden jaren geleden in oersoep bestond, kunnen eiwitten worden genoemd als de basis van oorsprong van het leven. Het experimentele bewijs in zijn voordeel komt van het beroemde experiment van Stanley Miller1, 2, waaruit bleek dat wanneer een mengsel van methaan, ammoniak, water en waterstof wordt gemengd en langs een elektrische ontlading wordt gecirculeerd, een mengsel van aminozuren wordt gevormd. Dit werd zeven jaar later opnieuw bevestigd3 in 1959 door Stanley Miller en Harold Urey waarin staat dat de aanwezigheid van een reducerende atmosfeer in de oeraarde aanleiding gaf tot de synthese van organische verbindingen in aanwezigheid van bovengenoemde gassen plus kleinere hoeveelheden koolmonoxide en kooldioxide. De relevantie van Miller-Urey-experimenten werd een aantal jaren in twijfel getrokken door de wetenschappelijke broederschap, die vond dat het gasmengsel dat in hun onderzoek werd gebruikt, te beperkt was met betrekking tot de omstandigheden die op de oeraarde bestonden. Een aantal theorieën wees op een neutrale atmosfeer met een overmaat aan CO2 met N2 en waterdamp4. Een neutrale atmosfeer is echter ook geïdentificeerd als een plausibele omgeving voor de synthese van aminozuren5. Bovendien moeten eiwitten, om als oorsprong van het leven te fungeren, zichzelf vermenigvuldigen, wat leidt tot een combinatie van verschillende eiwitten om tegemoet te komen aan verschillende reacties die in een organisme plaatsvinden.
B) Als de oersoep voorwaarden bood voor bouwstenen van DNA en/of RNA te vormen, dan kan een van beide het genetische materiaal zijn. Het onderzoek tot nu toe gaf de voorkeur aan RNA als het genetische materiaal voor de oorsprong van levensvormen vanwege hun vermogen om op zichzelf te vouwen, bestaande als een enkele streng en werkend als een enzym6, in staat om meer RNA-moleculen te maken. Een aantal zelfreplicerende RNA-enzymen7 zijn in de loop der jaren ontdekt, wat suggereert dat RNA het genetische uitgangsmateriaal is. Dit werd nog versterkt door het onderzoek van de groep van John Sutherland dat leidde tot de vorming van twee RNA-basen in een omgeving die lijkt op de oersoep door fosfaat in het mengsel op te nemen.8. De vorming van RNA-bouwstenen is ook aangetoond door een reducerende atmosfeer (die ammoniak, koolmonoxide en water bevat) te simuleren, vergelijkbaar met een atmosfeer die werd gebruikt in het experiment van Miller-Urey en er vervolgens elektrische ontladingen en krachtige lasers doorheen te leiden9. Als we moeten aannemen dat RNA de oorsprong is, wanneer en hoe zijn DNA en eiwitten dan ontstaan? Ontwikkelde DNA zich later als genetisch materiaal vanwege de onstabiele aard van RNA en volgden eiwitten. Antwoorden op al deze vragen blijven nog steeds onbeantwoord.
C) Het derde scenario dat DNA en RNA naast elkaar kunnen bestaan in de oersoep die leidde tot het ontstaan van het leven, kwam van studies die op 3 oktober werden gepubliceerd.rd Juni 2020 door de groep van John Sutherland van het MRC Laboratory in Cambridge, VK. De onderzoekers simuleerden de omstandigheden die miljarden jaren geleden op een oeraarde bestonden, met ondiepe vijvers in het laboratorium. Ze losten eerst chemicaliën op die RNA vormen in water, droogden en verhitten ze en onderwierpen ze vervolgens aan UV-straling die de zonnestralen simuleerde die in de oertijd bestonden. Dit leidde niet alleen tot de synthese van de twee bouwstenen van RNA, maar ook van DNA, wat suggereert dat beide nucleïnezuren naast elkaar bestonden ten tijde van het ontstaan van het leven.10.
Op basis van de hedendaagse kennis die vandaag bestaat en het centrale dogma van de moleculaire biologie in ere houdt, lijkt het aannemelijk dat het DNA en RNA naast elkaar bestonden dat leidde tot de oorsprong van het leven en de eiwitvorming later kwam/voorkwam.
De auteur wil echter een ander scenario speculeren waarin alle drie belangrijke biologische macromoleculen, nl. DNA, RNA en eiwit bestonden samen in de oersoep. De rommelige omstandigheden die bestonden in de oersoep met betrekking tot de chemische aard van het aardoppervlak, vulkaanuitbarstingen en de aanwezigheid van gassen zoals ammoniak, methaan, koolmonoxide, kooldioxide samen met water, waren misschien ideaal voor alle macromoleculen die werden gevormd. Een hint hiervan is gegeven door onderzoek van Ferus et al., waar nucleobasen werden gevormd in dezelfde reducerende atmosfeer9 gebruikt in het experiment van Miller-Urey. Als we in deze hypothese moeten geloven, hebben verschillende organismen in de loop van de evolutie het ene of het andere genetisch materiaal geadopteerd, wat hun voortbestaan bevorderde.
Omdat we echter proberen de oorsprong van levensvormen te begrijpen, is er veel verder onderzoek nodig om de fundamentele en relevante vragen te beantwoorden over hoe het leven is ontstaan en zich heeft verspreid. Dit zou een "out-of-the-box" benadering vereisen zonder te vertrouwen op vooroordelen die in ons denken zijn geïntroduceerd door de huidige dogma's die in de wetenschap worden gevolgd.
***
Referenties:
1. Miller S., 1953. Een productie van aminozuren onder mogelijke omstandigheden van de primitieve aarde. Wetenschap. 15 mei 1953: Vol. 117, uitgave 3046, pp. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotische soep: het Miller-experiment opnieuw bekijken. Wetenschap 02 mei 2003: Vol. 300, uitgave 5620, blz. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL en Urey HC, 1959. Synthese van organische verbindingen op de primitieve aarde. Wetenschap 31 juli 1959: Vol. 130, uitgave 3370, blz. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Atmosferische samenstelling en klimaat op de vroege aarde. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361: 1733-1741 (2006). Gepubliceerd:07 september 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Een herbeoordeling van prebiotische organische synthese in neutrale planetaire atmosferen. Orig Life Evol Biosph 38:105-115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. De tussenliggende sequentie RNA van Tetrahymena is een enzym. Wetenschap 31 januari 1986: Vol. 231, uitgave 4737, blz. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Door ribozym gekatalyseerde transcriptie van een actief ribozym. Wetenschap 08 apr: Vol. 332, uitgave 6026, blz. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synthese van geactiveerde pyrimidine-ribonucleotiden in prebiotisch plausibele omstandigheden. Natuur 459, 239-242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Vorming van nucleobasen in een Miller-Urey-reducerende atmosfeer. PNAS 25 april 2017 114 (17) 4306-4311; voor het eerst gepubliceerd op 10 april 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selectieve prebiotische vorming van RNA-pyrimidine en DNA-purine-nucleosiden. Natuur 582, 60-66 (2020). Gepubliceerd: 03 juni 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
