Dit verhaal begint enkele miljarden jaren geleden. Er is alleen chemie, geen biologie - dat wil zeggen, er zijn veel chemische verbindingen op aarde, maar er is nog geen leven ontstaan. Dan, tussen talloze willekeurig zelf-geassembleerde chemische structuren, onthult een kleine RNA-moleculaire machine zichzelf als perfect geschikt voor het creëren van bindingen tussen geactiveerde aminozuren, de bouwstenen van toekomstige eiwitten.

Het is een keerpunt in het verhaal van onze planeet:de synthese van eiwitten, biologische moleculen die essentieel zijn voor het leven, kan nu beginnen. Prof. Ada Yonath en haar team van het Weizmann Institute of Science denken dat ze dat moment in het lab hebben nagebootst en laten zien hoe het had kunnen gebeuren. Wat betreft de oorspronkelijke machine voor het maken van peptidebindingen, ontdekten ze dat deze nog steeds aanwezig is in vrijwel elke cel van alle levende organismen, van bacteriën tot planten en dieren, inclusief onszelf.

De theorie achter het project van het team werd zo'n 20 jaar geleden geboren uit verrassende bevindingen in het laboratorium van Yonath bij het bepalen van de structuur en functie van het ribosoom - onderzoek dat haar later de Nobelprijs voor de Scheikunde in 2009 zou opleveren. Het ribosoom voert een van de kernprocessen van het leven uit:het maken van eiwitten op basis van de informatie in het DNA.

"We ontdekten een verrassende eigenschap in de structuur van deze eiwitbereidingsmachine", zegt dr. Anat Bashan, een senior stafwetenschapper in het laboratorium van Yonath op de afdeling Chemische en Structurele Biologie van Weizmann. "Het ribosoom is een enorm macromolecuul dat helemaal niet symmetrisch is; in het hart bevat het twee halfsymmetrische elementen die samen een zak vormen."

Yonath zegt dat ze "in het bijzonder getroffen waren door het feit dat deze zak wordt gevonden in de ribosomen van alle organismen. En dit is waar alle actie plaatsvindt - het is waar alle peptidebindingen die de keten van gekoppelde aminozuren vormen die een eiwit vormen worden gevormd. Daarom lijkt deze basismachine gedurende de evolutie onveranderd te zijn gebleven."

Maak kennis met het protoribosoom:dat is wat de wetenschappers deze zakachtige structuur noemen. Ze veronderstelden dat het protoribosoom de voorouder is van alle moderne ribosomen, een oude machine die dateert uit de pre-life periode. In vergelijking met de grootte van de cel is het protoribosoom vrij klein. Het bestaat uit RNA-moleculen die zo'n 120 nucleotiden bevatten, ongeveer 60 voor elk van de twee halfsymmetrische componenten, die minder dan 5 procent uitmaken van de afmetingen van het moderne ribosoom:ongeveer 4.500 nucleotiden in bacteriën en bijna 6.000 bij mensen

Dit is hoe het scenario zich ontvouwde, volgens Yonath en haar team:

Het protoribosoom ontstond toen een stel RNA-nucleotideketens die zichzelf in twee halfsymmetrische wanden vormden, aan elkaar haken om een ​​zak te creëren. Eindeloze andere structuren moeten zich rond dezelfde tijd per ongeluk hebben geassembleerd, maar het protoribosoom overleefde, "viraal gaan", zo lijkt het, omdat het nuttige functies vervulde en, dankzij de intrinsieke mogelijkheden van RNA, het zichzelf kon repliceren.

Toen twee geactiveerde aminozuren toevallig met elkaar interageren in deze pocket, vormden ze een binding, mogelijk gemaakt door de heersende chemische omstandigheden. Die aminozuren zijn misschien op aarde ontstaan ​​of, zoals sommigen beweren, geland met asteroïden uit de ruimte, maar hun oorsprong is niet relevant voor ons verhaal. Waar het om gaat is dat binnen het protoribosoom twee geactiveerde aminozuren aan elkaar kunnen binden. Later verenigden dergelijke bindingen veel meer aminozuren, waardoor ze tot een ketting werden verbonden.

Dat was het begin van eiwitten, waarvan sommige vervolgens nuttig bleken bij het stabiliseren en versterken van het protoribosoom zelf. De eiwitten bleven aan de structuur van het protoribosoom toevoegen, waardoor het uitgroeide tot de geavanceerde eiwitfabriek die het nu is. "Een modern ribosoom kan worden omschreven als een ui, met het protoribosoom in het midden, omgeven door meer lagen die tijdens de evolutie zijn toegevoegd", zegt Yonath.

Na verloop van tijd zou de eiwitproductie efficiënt genoeg worden om ketens tot duizenden aminozuren lang te maken, en dit volgens de instructies in de genetische code. De tienduizenden eiwitten in het menselijk lichaam vervullen allemaal verschillende functies, van hormonen zoals insuline, tot antilichamen in het immuunsysteem, tot structurele componenten van cellen en weefsels zoals hemoglobine of het collageen van de huid. En ze begonnen allemaal met de bindingen die ooit bij toeval werden gevormd in het protoribosoom.

Een paar miljard jaar vooruitspoelen. De theorie werd bevestigd door berekeningen, deducties en dimerisatie-experimenten, waarbij de wetenschappers RNA-dimeerconstructen creëerden, die het voorgestelde protoribosoom nabootsten. Maar tot voor kort bleven de principes van de theorie, nou ja, grotendeels theoretisch. Nu, in een nieuwe studie onder leiding van postdoctoraal collega Dr. Tanaya Bose in het laboratorium van Yonath, hebben de wetenschappers het experimenteel ondersteund.

Bose en collega's gingen op onderzoek uit of een in het laboratorium gesynthetiseerd protoribosoom voldoende stabiel zou zijn om te overleven en zijn veronderstelde binding aan te gaan, dat wil zeggen, ze wilden weten of het inderdaad in staat was tot deze taak. Zij en de andere leden van Yonath's team creëerden een ontwerp voor een potentieel protoribosoom door de zakachtige structuren in het hart van verschillende bacteriële ribosomen te analyseren. Bose bereidde deze protoribosomale constructies vervolgens in een laboratoriumschaal.

Vervolgens kwam de cruciale stap:controleren of de pocketachtige dimeerconstructen bindingen tussen aminozuren konden creëren. Na het mengen van de constructies met een oplossing die geactiveerde aminozuursubstraten bevat, evenals verschillende zouten en andere reagentia, onderwierp Bose de producten van de reactie aan een reeks tests, waaronder massaspectrometrie-analyse.

Tot grote vreugde van het team stegen de synthetische protoribosomen die in het laboratorium waren gemaakt, op de taak. "De vorming van peptidebindingen is de meest vitale activiteit in elke cel en we hebben aangetoond dat dit kan plaatsvinden in een protoribosoom", zegt Bose.

"Het voorgestelde protoribosoom zou de ontbrekende schakel kunnen zijn tussen een door RNA gedomineerde wereld - een wereld die mogelijk al bestond voordat eiwitten en DNA verschenen - en leven dat is gebaseerd op eiwitten en nucleïnezuren, zoals we die nu kennen", zegt Bashan.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nucleic Acids Research . + Verder verkennen

Banden uit het verleden:een reis door de geschiedenis van eiwitsynthese