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 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 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

***

Latest

Eerste geboorte in het VK na baarmoedertransplantatie met levende donor

De vrouw die als eerste een baarmoedertransplantatie met een levende donor onderging...

Qfitlia (Fitusiran): een nieuwe siRNA-gebaseerde behandeling voor hemofilie  

Qfitlia (Fitusiran), een nieuwe siRNA-gebaseerde behandeling voor hemofilie, heeft...

JWST's Deep Field Observations zijn in strijd met het kosmologisch principe

Diepveldwaarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop onder JWST...

Lange-keten koolwaterstoffen ontdekt op Mars  

Een analyse van een bestaand gesteentemonster binnen Sample Analysis bij...

Nieuwsbrief

Niet te missen

Hoe mannelijke octopussen voorkomen dat ze door vrouwtjes worden opgegeten  

Onderzoekers hebben ontdekt dat sommige mannelijke blauwgestreepte octopussen...

Meerdere sporen van dinosaurussen ontdekt in Oxfordshire

Er zijn meerdere sporen met ongeveer 200 dinosaurusvoetafdrukken gevonden...

De-extinctie en behoud van soorten: nieuwe mijlpalen voor de wederopstanding van de buidelwolf (Tasmaanse tijger)

Het in 2022 aangekondigde project voor het terugdringen van het uitsterven van de buidelwolf heeft...

Nobelprijs voor Geneeskunde 2024 voor de ontdekking van “microRNA en nieuw principe van genregulatie”

De Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde van 2024 is...

Fossielen van oude chromosomen met intacte 3D-structuur van uitgestorven wolharige mammoet  

Fossielen van oude chromosomen met intacte driedimensionale structuur behorend tot...
Rajeev Sonic
Rajeev Sonichttps://web.archive.org/web/20220523060124/https://www.rajeevsoni.org/publications/
Dr. Rajeev Soni (ORCID ID: 0000-0001-7126-5864) heeft een Ph.D. in biotechnologie van de Universiteit van Cambridge, VK en heeft 25 jaar ervaring in het werken over de hele wereld in verschillende instituten en multinationals zoals The Scripps Research Institute, Novartis, Novozymes, Ranbaxy, Biocon, Biomerieux en als hoofdonderzoeker bij US Naval Research Lab in medicijnontdekking, moleculaire diagnostiek, eiwitexpressie, biologische productie en bedrijfsontwikkeling.

Gebruik van genetisch gemodificeerde (GM) muggen voor de uitroeiing van door muggen overgedragen ziekten

In een poging de door muggen overgedragen ziekten onder controle te krijgen, zijn de eerste genetisch gemodificeerde muggen in de Verenigde Staten uitgezet in de staat...

Anorexia is gekoppeld aan metabolisme: genoomanalyse onthult

Anorexia nervosa is een extreme eetstoornis die wordt gekenmerkt door aanzienlijk gewichtsverlies. Onderzoek naar genetische oorsprong van anorexia nervosa heeft aangetoond dat metabole verschillen...

Pleurobranchaea britannica: een nieuwe soort zeeslak ontdekt in Britse wateren 

Een nieuwe soort zeeslak, genaamd Pleurobranchaea britannica, is ontdekt in de wateren voor de zuidwestkust van Engeland. Dit is de...

1 COMMENT

Reacties zijn gesloten.