Wat een mens fundamenteel onderscheidt van elk ander levend wezen, komt neer op verschillen in DNA-sequenties - een reeks genetisch geërfde moleculen die in elke cel van elk organisme worden aangetroffen. Deze verschillen hebben zich in de loop van miljoenen jaren opgestapeld, voornamelijk via willekeurige mutaties - in feite fouten in de manier waarop het DNA werd gekopieerd. De meeste van deze mutaties hebben een negatieve invloed op het organisme en zullen er waarschijnlijk toe leiden dat het sterft voordat het de kans krijgt om zich voort te planten. Sommige zullen echter een positieve of neutrale invloed hebben op het organisme en zich door de bevolking verspreiden. Deze fouten in DNA-sequenties hebben geresulteerd in de diversiteit van het leven dat we tegenwoordig over de hele wereld zien. Maar veel aspecten van hoe deze mutaties de fitheid kunnen vergroten, blijven slecht begrepen.

"We zijn erin geslaagd om voor het eerst experimenteel een concept over mutatie en evolutie aan te tonen dat voorheen alleen theoretisch was geprediceerd", zegt prof. Yohei Yokobayashi, die leidt naar de Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit van het Okinawa Institute of Science. en Technologie Graduate University (OIST). "Het wordt een neutraal netwerk genoemd en het wordt van vitaal belang geacht voor het vergroten van de diversiteit in een populatie." Dit onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Genen, opgebouwd uit DNA-basenparen, bevatten de instructies die nodig zijn om eiwitten te maken en leiden tot de juiste zorg en onderhoud van een cel. Om de instructies uit te voeren, moet het DNA eerst worden getranscribeerd in RNA. RNA is dus als een weerspiegeling van DNA.

Er zijn vier standaard basenparen voor RNA en DNA. Voor RNA zijn dit A, G, C en U. Prof. Yokobayashi legde het concept van een neutraal netwerk uit door een voorbeeld te geven van een vereenvoudigde sequentie van RNA-basen.

"Stel, de RNA-sequentie AAAAAAA muteert naar AAAUAAA, die vervolgens muteert tot GAAUAAA. De eerste variant is verbonden met de tweede, die door slechts één enkele mutatie met de derde is verbonden. Als deze mutaties dezelfde fitheid behouden, kan het organisme overleven, en de mutatie kan worden geërfd door toekomstige generaties. Dit verhoogt de algehele diversiteit, en diversiteit is essentieel voor een soort om zich aan te passen aan veranderingen in de omgeving."

Een neutraal netwerk is een hele reeks basenreeksen zoals deze (zij het veel langer), waarbij elke nieuwe reeks, die slechts één base verschilt, ongeveer dezelfde geschiktheid heeft als die ervoor en erna. Wetenschappers vermoeden hun bestaan ​​al een tijdje, maar ze zijn erg moeilijk experimenteel te bewijzen. Oorspronkelijk werd beweerd dat alle RNA-sequentieruimten de mogelijkheid zouden moeten hebben om een ​​groot neutraal netwerk te herbergen, maar niemand heeft deze grootschalige neutrale netwerken ooit in de praktijk gevonden.

In deze studie keken de onderzoekers naar een type RNA, een ligase-ribozym genaamd, dat eerder was gesynthetiseerd maar waarvan niet bekend was dat het een neutraal netwerk vormde. Ze kozen dit ribozym omdat het de functie heeft om twee stukken RNA aan elkaar te verbinden of te ligeren. Deze rol heeft belangrijke implicaties voor het ontstaan ​​van het leven, omdat het van vitaal belang is voor zelfreplicatie.

Het hele ribozym heeft ongeveer 80 basenparen, maar de onderzoekers concentreerden zich op een gebied van 35 basenparen dat belangrijk is voor de functie van het ribozym en dus voor het meten van zijn algehele fitheid.

Door middel van computationeel sequentieontwerp, geholpen door een evolutionair algoritme en diepgaand leren, ontwierpen de wetenschappers veel mutanten van dit ribozym en bepaalden ze experimenteel hun geschiktheid. Ze hebben uiteindelijk meer dan 120.000 varianten getest en waren in staat om de fractie neutrale varianten in de ontworpen populatie te verhogen van ongeveer 10% tot bijna 90%.

Vervolgens kozen ze een van de varianten die ze hadden geïdentificeerd. Dit verschilde van het oorspronkelijke ribozym door 16 mutaties. Ze screenden alle verschillende paden die hadden kunnen worden genomen om van het oorspronkelijke ribozym naar de nieuwe variant te komen, één mutatie per keer gedurende 16 stappen, en vonden 65.536 verschillende varianten waarvan 60% functioneel was.

De onderzoekers keken vervolgens naar de paden die alleen functionele mutaties bevatten en ontdekten dat 10% van de paden toegankelijk was.

"Dit is behoorlijk hoog", zei Ph.D. kandidaat en eerste auteur, Rachapun Rotrattanadumrong. "Ander experimenteel werk heeft nog nooit zo'n groot aantal toegankelijke paden tussen twee varianten gevonden."

De onderzoekers benadrukten dat dit experimentele bewijs van een neutraal netwerk heeft aangetoond dat het mogelijk is dat neutrale netwerken zich vormen in een RNA-sequentieruimte, hoewel niet zo uitgebreid als het theoretische werk hen zou doen geloven. Een andere interessante vraag kan zijn om te kijken welke eigenschappen nodig zijn om dit soort netwerk te vormen.

"Dit werk stelt mensen in staat om veel hypothesen experimenteel te testen", vervolgde Rotrattanadumrong. "We hebben de eerste experimentele dataset van een neutraal netwerk geleverd, waardoor onderzoekers vragen kunnen beantwoorden over hoe RNA is geëvolueerd en blijft evolueren." + Verder verkennen

RNA-functie onderzoeken met 10.000 mutanten