Moleculaire oorsprong van het leven: wat werd er eerst gevormd - eiwit, DNA of RNA of een combinatie daarvan?

'Verschillende vragen over de oorsprong van het leven zijn beantwoord, maar er moet nog veel worden bestudeerd', zeiden Stanley Miller en Harold Urey al in 1959 nadat ze verslag hadden gedaan van de laboratoriumsynthese van aminozuren in primitieve omstandigheden op aarde. Er is veel vooruitgang geboekt, maar wetenschappers worstelen al geruime tijd met een fundamentele vraag: welk genetisch materiaal werd als eerste op de primitieve aarde gevormd? DNA or RNA, of een beetje van beide? Er zijn nu bewijzen die dat suggereren DNA en RNA beide hebben mogelijk naast elkaar bestaan ​​in de oersoep van waaruit de levensvormen zich kunnen hebben ontwikkeld met respectieve genetische materialen.

Het centrale dogma van de moleculaire biologie stelt dat: DNA merken RNA merken eiwitten. Eiwitten zijn verantwoordelijk voor het merendeel, zo niet alle, reacties die plaatsvinden in een organisme. De volledige functionaliteit van een organisme is grotendeels afhankelijk van hun aanwezigheid en interactie eiwit moleculen. Volgens het centrale dogma eiwitten worden geproduceerd door de informatie in DNA die wordt omgezet naar functioneel eiwit via een boodschapper genaamd RNA. Het is echter mogelijk dat eiwitten zelf kunnen zelfstandig overleven zonder enige DNA or RNA, zoals het geval is met prionen (verkeerd gevouwen eiwit moleculen die dit niet bevatten DNA or RNA), maar kunnen op zichzelf overleven.

Er kunnen dus drie scenario's zijn voor het ontstaan ​​van leven.

A) Als de eiwitten of de bouwstenen ervan konden zich abiotisch vormen tijdens de atmosfeer die miljarden jaren geleden bestond in oersoep, eiwitten kan als basis worden beschouwd oorsprong van het leven. Het experimentele bewijs in zijn voordeel komt van het beroemde experiment van Stanley Miller^{1, 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 zij stelden dat de aanwezigheid van een reducerende atmosfeer in de oeraarde aanleiding gaf tot de synthese van organisch verbindingen in aanwezigheid van bovengenoemde gassen plus kleinere hoeveelheden koolmonoxide en kooldioxide. De relevantie van de 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 reducerend was in vergelijking met de omstandigheden op de oorspronkelijke aarde. Een aantal theorieën wezen 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, voor eiwitten Om als oorsprong van het leven te fungeren, moeten ze zichzelf repliceren, wat leidt tot een combinatie van verschillende eiwitten om tegemoet te komen aan verschillende reacties die plaatsvinden in een organisme.

B) Als de oersoep voorwaarden bood voor bouwstenen van DNA en / of RNA te vormen, dan had een van deze het genetische materiaal kunnen zijn. Het onderzoek tot nu toe gaf de voorkeur RNA het genetische materiaal zijn voor de oorsprong van levensvormen vanwege hun vermogen om zichzelf op te vouwen, als een enkele streng te bestaan ​​en als een enzym te fungeren⁶, in staat om meer te maken RNA moleculen. Een aantal zelfreplicerende RNA-enzymen⁷ zijn in de loop der jaren ontdekt, wat suggereert RNA als het uitgangsgenetisch materiaal. Dit werd verder 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 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 mogen aannemen dat RNA de maker is, wanneer en hoe dan? DNA en eiwitten ontstaan? Deed DNA zich later als genetisch materiaal ontwikkelen vanwege de onstabiele aard van RNA en eiwitten volgden. De 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 de chemicaliën op die zich vormden RNA in water, gevolgd door drogen en verwarmen en vervolgens onderwerpen 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 erop wijst dat beide nucleïnezuren naast elkaar bestonden ten tijde van het ontstaan ​​van het leven¹⁰.

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 reeks 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 purinenucleosiden. Natuur 582, 60–66 (2020). Gepubliceerd: 03 juni 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***