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 valt nog veel te onderzoeken", zeiden Stanley Miller en Harold Urey al in 1959 na de publicatie van een laboratoriumsynthese van aminozuren onder primitieve aardse omstandigheden. Sindsdien zijn er vele vorderingen gemaakt, maar wetenschappers worstelen nog steeds met een fundamentele vraag: welk genetisch materiaal werd als eerste gevormd op de primitieve aarde, DNA of RNA , of een combinatie van beide? Er zijn nu aanwijzingen dat zowel DNA als RNA mogelijk naast elkaar bestonden in de oersoep, waaruit de levensvormen zich met hun respectievelijke genetische materialen hebben ontwikkeld.

Het centrale dogma van de moleculaire biologie stelt dat DNA eiwitten produceert en RNA eiwitten produceert . 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 de aanwezigheid en interactie van eiwitmoleculen . Volgens het centrale dogma worden eiwitten geproduceerd door de informatie in DNA , die via een boodschapper, RNA genaamd, wordt omgezet in functionele eiwitten . Het is echter mogelijk dat eiwitten zelfstandig kunnen overleven zonder DNA of RNA , zoals het geval is bij prionen (verkeerd gevouwen eiwitmoleculen die geen DNA of RNA bevatten ).

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

A) Als eiwitten of hun bouwstenen zich abiotisch konden vormen in de atmosfeer die miljarden jaren geleden bestond in de oersoep, dan kunnen eiwitten worden beschouwd als de basis van het ontstaan ​​van leven . Het experimentele bewijs hiervoor komt van het beroemde experiment van Stanley Miller ^{1, 2} , dat aantoonde dat wanneer een mengsel van methaan, ammoniak, water en waterstof wordt gemengd en langs een elektrische ontlading wordt geleid, een mengsel van aminozuren ontstaat. Dit werd zeven jaar later, in 1959, opnieuw bevestigd ³ door Stanley Miller en Harold Urey, die stelden dat de aanwezigheid van een reducerende atmosfeer op de oeraarde leidde tot de synthese van organische verbindingen in aanwezigheid van de bovengenoemde gassen, plus kleinere hoeveelheden koolmonoxide en kooldioxide. De relevantie van de experimenten van Miller en Urey werd jarenlang in twijfel getrokken door de wetenschappelijke gemeenschap, die van mening was dat het gasmengsel dat in hun onderzoek werd gebruikt te reducerend was ten opzichte van de omstandigheden die op de oeraarde heersten. Een aantal theorieën wees op een neutrale atmosfeer met een overmaat aan CO2, N2 en waterdamp⁴ ^. Een neutrale atmosfeer is echter ook aangemerkt als een plausibele omgeving voor de synthese van aminozuren⁵ ^. Bovendien moeten eiwitten , om als oorsprong van het leven te kunnen fungeren, zichzelf kunnen repliceren, wat leidt tot een combinatie van verschillende eiwitten om de verschillende reacties in een organisme te ondersteunen.

B) Als de oersoep de omstandigheden bood voor de vorming van bouwstenen van DNA en/of RNA , dan zou een van beide het genetisch materiaal kunnen zijn geweest. Tot nu toe neigde het onderzoek ernaar dat RNA het genetisch materiaal was voor het ontstaan ​​van levensvormen, vanwege het vermogen om zichzelf op te vouwen, als een enkele streng te bestaan ​​en als een enzym te fungeren⁶ ^, dat in staat is om meer RNA- moleculen te maken. In de loop der jaren zijn een aantal zelfreplicerende RNA-enzymen⁷ ^ontdekt, wat suggereert dat RNA het oorspronkelijke genetisch materiaal was. Dit werd verder versterkt door het onderzoek van de groep van John Sutherland, dat leidde tot de vorming van twee basen van RNA in een omgeving die vergelijkbaar is met de oersoep door fosfaat aan het mengsel toe te voegen⁸ ^. De vorming van RNA-bouwstenen is ook aangetoond door een reducerende atmosfeer te simuleren (met ammoniak, koolmonoxide en water), vergelijkbaar met die gebruikt in het experiment van Miller-Urey , en er vervolgens elektrische ontladingen en krachtige lasers doorheen te leiden⁹ ^. Als we ervan uitgaan dat RNA de oorsprong is, wanneer en hoe zijn DNA en eiwitten dan ontstaan? Ontwikkelde DNA zich later als genetisch materiaal vanwege de instabiele aard van RNA, en volgden de eiwitten daarna? Antwoorden op al deze vragen blijven tot op heden onbeantwoord.

C) Het derde scenario, waarin DNA en RNA naast elkaar kunnen bestaan ​​in de oersoep die leidde tot het ontstaan ​​van leven, is afkomstig uit studies die op 3 juni 2020 zijn gepubliceerd ^door de groep van John Sutherland van het MRC Laboratory in Cambridge, VK. De onderzoekers simuleerden de omstandigheden die miljarden jaren geleden op een oer-aarde bestonden, met behulp van ondiepe vijvers in het laboratorium. Ze losten eerst chemicaliën die RNA vormen op in water, droogden en verhitten deze vervolgens en stelden ze bloot aan UV-straling die de zonnestralen uit de oertijd simuleerde. 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 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 speculeren over een ander scenario waarin alle drie de belangrijke biologische macromoleculen, namelijk DNA, RNA en eiwit, samen in de oersoep bestonden. De chaotische omstandigheden in de oersoep, met de chemische samenstelling van het aardoppervlak, vulkaanuitbarstingen en de aanwezigheid van gassen zoals ammoniak, methaan, koolmonoxide en kooldioxide, samen met water, zouden ideaal kunnen zijn geweest voor de vorming van alle macromoleculen. Een aanwijzing hiervoor is te vinden in onderzoek van Ferus et al., waar nucleobasen werden gevormd in dezelfde reducerende atmosfeer ^die werd gebruikt in het experiment van Miller-Urey. Als we deze hypothese mogen aannemen, dan hebben verschillende organismen in de loop van de evolutie het ene of het andere genetische materiaal overgenomen dat 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. De productie van aminozuren onder mogelijke primitieve aardse omstandigheden. Science. 15 mei 1953: Vol. 117, nummer 3046, pp. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al. 2003. Prebiotische soep – Een herziening van het Miller-experiment. Science 02 mei 2003: Vol. 300, nummer 5620, pp. 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. Science 31 juli 1959: Vol. 130, nummer 3370, pp. 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. Science 31 januari 1986: Vol. 231, nummer 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozym-gekatalyseerde transcriptie van een actief ribozym. Science 08 april: Vol. 332, nummer 6026, pp. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synthese van geactiveerde pyrimidine-ribonucleotiden onder prebiotisch plausibele omstandigheden. Nature 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; eerste publicatie 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. Nature 582, 60–66 (2020). Gepubliceerd: 03 juni 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***