Miljarden jaren geleden vermengden moleculen op een levenloze en tumultueuze aarde zich en vormden de eerste levensvormen. Eonen later kruipt een grotere, slimmere vorm van leven over laboratoriumexperimenten die proberen zijn eigen begin te begrijpen.
Terwijl sommigen zeggen dat het leven is voortgekomen uit eenvoudige molecuulketens, zeggen anderen dat vroege chemische reacties zelfreplicerend RNA vormden. Een familielid van DNA, RNA fungeert als een decoder of boodschapper van genetische informatie.
Een nieuwe studie levert bewijs voor het RNA-idee, dat bekend staat als de "RNA-wereldhypothese". Maar ten minste één ingrediënt in vroege RNA kan verschillen van wat er in de moderne vorm wordt gevonden, rapporteerde een groep wetenschappers op 3 december in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences.
Modern RNA bestaat, naast de suiker- en fosfaatruggengraat, uit vier belangrijke bouwstenen: nucleobasen genaamd adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U).
Maar het blijkt dat vroege RNA mogelijk één nucleobase heeft gehad die geen deel uitmaakt van de moderne vorm.
In kleine plastic buisjes stopten de onderzoekers water, een beetje zout, buffer om de pH basisch te houden en magnesiumionen om reacties te versnellen. Deze omstandigheden zijn vergelijkbaar met die in een zoetwatermeer of -vijver, een kratermeer of het soort meer of zwembad in vulkanische gebieden zoals het Yellowstone National Park - allemaal plaatsen waar het leven had kunnen beginnen.
De onderzoekers voegden vervolgens een klein stukje RNA toe, een primer genaamd, bevestigd aan een langer stuk RNA, een sjabloon genaamd. Nieuw RNA wordt gemaakt wanneer een primer sjabloon-RNA kopieert, via basenparing. De nucleobasen komen op unieke wijze met elkaar overeen; C bindt alleen met G en A bindt alleen met U.
De onderzoekers voegden de nucleobasen (A, C, G en U) toe zodat ze zich aan de sjabloon konden binden en daardoor het kortere stuk, de primer, konden verlengen. De resultaten toonden aan dat, met ingrediënten van modern RNA, de reactie niet snel genoeg werkte om het RNA zonder fouten te vormen en te repliceren.
Maar toen voegden de onderzoekers een andere chemische stof toe, inosine genaamd, in de mix, in plaats van het op guanine gebaseerde molecuul. Daarna waren de onderzoekers verrast toen ze ontdekten dat RNA iets nauwkeuriger kon vormen en repliceren dan in een mix met guanine.
Deze mix veroorzaakte geen zogenaamde "foutencatastrofe", wat betekent dat mutaties of willekeurige fouten in replicaties onder een drempel bleven, zodat ze konden worden geëlimineerd voordat ze zich opstapelden.
"Het feit dat het probleem van de foutenramp wordt overwonnen, is een belangrijke test van betekenis", zegt David Deamer, een bioloog aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz, die geen deel uitmaakte van de studie. Zijn enige klacht is de bewering dat inosine plausibeler is bij het maken van primitief RNA dan andere alternatieve basen, zei Deamer. Hij denkt nog niet dat de andere bases moeten worden uitgesloten, omdat "dit een vrij brede claim is ... gebaseerd op een zeer specifieke chemische reactie", vertelde Deamer aan WordsSideKick.com
Maar omdat inosine gemakkelijk kan worden afgeleid van een ander basenpaar, adenine, maakt het het proces van het ontstaan van het leven 'gemakkelijker' dan wanneer je helemaal opnieuw guanine zou moeten maken, zei John Sutherland, een onderzoeker naar de chemische oorsprong van moleculaire biologie bij het MRC Laboratorium voor Moleculaire Biologie in het VK, dat ook geen deel uitmaakte van de studie.
De bevindingen breken "de conventionele wijsheid dat inosine niet nuttig kon zijn", vertelde Sutherland aan WordsSideKick.com. Inosine had deze reputatie verdiend omdat het een zeer specifieke taak vervult in een vorm van RNA, transfer RNA genaamd, dat genetische informatie decodeert.
Er werd gedacht dat Inosine "wiebelt" of zich aan verschillende basenparen bindt in plaats van aan één. Dat zou het een slecht molecuul zijn geweest om unieke instructies te geven om nieuw RNA te vormen, omdat er geen duidelijke richting zou zijn geweest voor wat inosine zou kunnen binden. En dus 'hadden velen van ons ten onrechte gedacht dat dit een inherente eigenschap van inosine was', zei Sutherland. Maar deze studie toonde aan dat inosine, in de vroege wereldcontext waar RNA voor het eerst naar voren kwam, niet wiebelt, maar in plaats daarvan betrouwbaar koppelt aan cytosine, voegde hij eraan toe.
"Het is nu allemaal logisch, maar op basis van de oudere resultaten hadden we niet verwacht dat inosine zo goed zou werken", zegt hoofdonderzoeker Jack Szostak, een professor in de chemie en chemische biologie aan de Harvard University, die ook een Nobelprijswinnaar.
Szostak en zijn team proberen nu uit te zoeken hoe dat primitieve RNA anders zou kunnen zijn dan modern RNA - en hoe het uiteindelijk in modern RNA is veranderd. Ook is een groot deel van hun lab gericht op hoe RNA-moleculen repliceerden voordat enzymen evolueerden. (Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties versnellen.)
"Dit is een grote uitdaging", vertelde Szostak aan WordsSideKick.com. 'We hebben veel vooruitgang geboekt, maar er zijn nog steeds onopgeloste puzzels.'
Sutherland merkte ook op dat het veld in het algemeen van een pure "RNA-wereldhypothese" evolueert naar een die meer componenten ziet vermengd in de ketel die leven creëerde. Deze omvatten lipiden, peptiden, eiwitten en energiebronnen. Hij voegde eraan toe dat het in de hoofden van onderzoekers is: "Het is een minder puristische RNA-wereld dan vroeger."
