Hoe de eerste moleculen de primitieve omstandigheden op aarde overleefden

Een nieuwe studie biedt inzicht in de oorsprong van het leven

De oorsprong van het leven blijft een diep mysterie. Hoe werden complexe moleculen gevormd en bleven ze gedurende lange perioden stabiel zonder te ontbinden? Een team van het Origins Institute, een in München gevestigd kenniscentrum, heeft een mechanisme ontdekt dat het mogelijk heeft gemaakt dat het eerste levende organisme verscheen. RNA Onderzoekers hebben ontdekt dat de fusie van twee RNA-strengen hun stabiliteit en levensduur aanzienlijk verlengt.

Het leven op aarde begon waarschijnlijk in water, misschien in een getijdenpoel die bij eb werd afgesloten van het zeewater, maar bij vloed werd overspoeld door golven. Gedurende miljarden jaren zijn complexe moleculen zoals… DNAIn deze omgeving werden RNA en eiwitten gevormd voordat uiteindelijk de eerste cellen verschenen. Maar tot nu toe heeft niemand precies kunnen uitleggen hoe dit gebeurt.

“We weten welke moleculen er op de vroege aarde bestonden”, zegt Joop Bockhoven, hoogleraar supramoleculaire chemie aan de Technische Universiteit van München. “De vraag is: kunnen we dit gebruiken om de oorsprong van het leven in het laboratorium te repliceren?” Het team onder leiding van Bockhoven van het Origins Cluster of Excellence is vooral geïnteresseerd in RNA. “RNA is een prachtig molecuul. Het kan informatie opslaan en ook biochemische reacties katalyseren”, zegt Boukhoven. Daarom geloven wetenschappers dat RNA de eerste complexe moleculen moeten zijn die zich vormen.

Maar het probleem is dat actieve RNA-moleculen uit honderden of zelfs duizenden basen bestaan ​​en zeer onstabiel zijn. Wanneer RNA-strengen in water worden ondergedompeld, vallen ze snel uiteen in hun samenstellende delen – een proces dat bekend staat als hydrolyse. Dus hoe zou RNA in de oersoep hebben overleefd?

Hoe ontstonden dubbele filamenten in de oersoep?

In laboratoriumtests gebruikten onderzoekers van de Technische Universiteit van München en de Ludwig Maximilian Universiteit een modelsysteem van RNA-basen die gemakkelijker samenkomen dan de natuurlijke basen die tegenwoordig in onze cellen worden aangetroffen. “We hadden geen miljoenen jaren beschikbaar en we wilden snel een antwoord”, legt Bockhoven uit. Het team voegde deze snelbindende RNA-basen toe aan een waterige oplossing, zorgde voor een energiebron en onderzocht de lengte van de gevormde RNA-moleculen. Hun bevindingen waren schokkend, omdat de resulterende strengen van maximaal vijf basenparen slechts enkele minuten overleefden.

Maar de resultaten waren anders toen de onderzoekers begonnen met het toevoegen van korte strengen voorgevormd RNA. De vrije complementaire basen voegden zich snel bij dit RNA in een proces dat hybridisatie wordt genoemd. Dubbele strengen met een lengte van drie tot vijf basenparen werden gevormd en bleven enkele uren stabiel. “Het spannende is dat de dubbele strengen leiden tot vouwing van het RNA, waardoor het RNA katalytisch actief kan worden”, legt Bockhoven uit. Zo heeft dsRNA twee voordelen: het heeft een langere levensduur in de oersoep en dient als substraat voor katalytisch actief RNA.

Maar hoe kon zich in de oersoep een dubbele keten vormen? “Momenteel onderzoeken we of RNA’s hun eigen complementaire ketens kunnen vormen”, zegt Boukhoven. Het is mogelijk dat een molecuul van drie basen zich verbindt met een molecuul van drie complementaire basen – de resulterende stabiele dubbele ketens. Dankzij hun lange levensduur kunnen andere bases zich bij hen aansluiten en kunnen ketens groeien.

Ontwikkelingsvoordeel van protocellen

Er is nog een ander kenmerk van dubbelstrengs RNA dat mogelijk heeft bijgedragen tot het ontstaan ​​van leven. Het is allereerst belangrijk op te merken dat RNA-moleculen ook in staat zijn voorlopercellen te vormen. Het zijn kleine druppeltjes binnenin die volledig gescheiden zijn van de buitenwereld. Deze protocellen hebben echter geen stabiel celmembraan en fuseren daarom gemakkelijk met andere protocellen, wat resulteert in vermenging van de inhoud ervan. Dit is niet bevorderlijk voor de evolutie, omdat het verhindert dat individuele protocellen een unieke identiteit ontwikkelen. Als de grenzen van deze protocellen echter uit dubbelstrengig DNA bestaan, worden de cellen stabieler en stopt hun fusie.

Inzichten die ook voor de geneeskunde gelden

In de toekomst hoopt Jobe Bockhoven het inzicht in de vorming en stabiliteit van de eerste RNA-moleculen te verbeteren. “Sommige mensen beschouwen dit onderzoek als een hobby”, zegt Boukhoven. “Maar tijdens de Covid-19-pandemie heeft iedereen gezien hoe belangrijk RNA-moleculen zijn, inclusief vaccins.” “Dus hoewel ons onderzoek een van de oudste vragen in de wetenschap probeert te beantwoorden, is dat nog niet alles: we genereren ook kennis over RNA waar veel mensen vandaag de dag profijt van kunnen hebben.”

Referentie: “Op sjablonen gebaseerde transcriptie in chemo-aangedreven dynamische combinatorische bibliotheken” door Christine M.E. Kreibsch, Ludwig Berger, Oleksiy Zozulya, Michel Stasi, Alexander Floroni, Dieter Braun, Ulrich Gerland en Job Bockhoven, 16 juli 2024, Natuurchemie.
doi: 10.1038/s41557-024-01570-5