Het leven op aarde is ontstaan ​​uit een intieme samenwerking tussen de nucleïnezuren (genetische instructies voor alle organismen) en kleine eiwitten die peptiden worden genoemd, volgens twee nieuwe artikelen van biochemici en biologen van de University of North Carolina in Chapel Hill en de University of Auckland. Hun "peptide-RNA"-hypothese is in tegenspraak met de wijdverbreide "RNA-wereld"-hypothese, waarin staat dat het leven is ontstaan ​​uit nucleïnezuren en pas later is geëvolueerd om eiwitten te omvatten.

De nieuwe papieren - één in Moleculaire biologie en evolutie , de andere in Biosystems - laat zien hoe recente experimentele studies van twee superfamilies van enzymen de moeilijke theoretische vragen overstijgen over hoe complex leven meer dan vier miljard jaar geleden op aarde ontstond.

"Tot nu, men heeft gedacht dat het onmogelijk is om experimenten uit te voeren om de oorsprong van de genetica te doorgronden, " zei co-auteur Charles Carter, doctoraat, hoogleraar biochemie en biofysica aan de UNC School of Medicine. "Maar we hebben nu aangetoond dat experimentele resultaten prachtig passen bij de 'peptide-RNA'-theorie, en dus bieden deze experimenten behoorlijk overtuigende antwoorden op wat er gebeurde aan het begin van het leven op aarde."

De speciale eigenschappen van de voorouderlijke versies van deze superfamilies van enzymen, en het zelfversterkende feedbacksysteem dat ze zouden hebben gevormd met de eerste genen en eiwitten, zou de vroege biologie een kickstart hebben gegeven en de eerste levensvormen naar een grotere diversiteit en complexiteit hebben gedreven, aldus de onderzoekers.

Co-auteur Peter Wills, doctoraat, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Auckland, zei, "Vergeleken met de RNA-wereldhypothese, wat we hebben geschetst is gewoon een veel waarschijnlijker scenario voor de oorsprong van het leven. We hopen dat onze gegevens en de theorie die we in deze artikelen hebben geschetst, de discussie en verder onderzoek zullen stimuleren over vragen die relevant zijn voor het ontstaan ​​van het leven."

De twee wetenschappers zijn zich er volledig van bewust dat de RNA-wereldhypothese nog steeds het onderzoeksveld over de oorsprong van het leven domineert. "Die theorie is zo aanlokkelijk en opportuun dat de meeste mensen gewoon niet denken dat er een alternatief is, "Zei Carter. "Maar we hebben er alle vertrouwen in."

Voordat er leven op aarde was, er waren eenvoudige chemicaliën. op de een of andere manier, ze produceerden zowel aminozuren als nucleotiden die uiteindelijk de eiwitten en nucleïnezuren werden die nodig zijn om afzonderlijke cellen te maken. En de afzonderlijke cellen werden planten en dieren. Onderzoek van deze eeuw heeft onthuld hoe de oer-chemische soep de bouwstenen van het leven heeft gecreëerd. Er is ook een wijdverbreide wetenschappelijke consensus over het historische pad waarlangs cellen evolueerden tot planten en dieren.

Maar het is nog steeds een mysterie hoe de aminozuurbouwstenen voor het eerst werden geassembleerd volgens gecodeerde nucleïnezuursjablonen tot de eiwitten die de machinerie van alle cellen vormden.

De algemeen aanvaarde RNA-wereldtheorie stelt dat RNA - het molecuul dat tegenwoordig een rol speelt bij het coderen, regulerend, en genen tot expressie bracht - verhief zichzelf uit de oersoep van aminozuren en kosmische chemicaliën, uiteindelijk leiden ze eerst tot korte eiwitten, peptiden genaamd, en vervolgens tot eencellige organismen.

Carter en Wills stellen dat RNA dit proces niet alleen op gang kan brengen, omdat het een eigenschap mist die ze 'reflexiviteit' noemen. Het kan de regels waarmee het is gemaakt niet afdwingen. RNA had peptiden nodig om de reflexieve feedbacklus te vormen die nodig is om uiteindelijk tot levensvormen te leiden.

De kern van de peptide-RNA-theorie zijn enzymen die zo oud en belangrijk zijn dat hun overblijfselen nog steeds worden gevonden in alle levende cellen en zelfs in sommige subcellulaire structuren, inclusief mitochondriën en virussen. Er zijn 20 van deze oude enzymen die aminoacyl-tRNA-synthetasen (aaRSs) worden genoemd.

Elk van hen herkent een van de 20 aminozuren die als bouwstenen van eiwitten dienen. (Eiwitten, beschouwd als de machines van het leven, katalyseren en synchroniseren van de chemische reacties in cellen.) In moderne organismen, een aaRS koppelt effectief het toegewezen aminozuur aan een RNA-string die drie nucleotiden bevat die complementair zijn aan een vergelijkbare string in het getranscribeerde gen. De aaRSs spelen dus een centrale rol bij het omzetten van genen in eiwitten, een proces dat vertaling wordt genoemd en dat essentieel is voor alle levensvormen.

De 20 aaRS-enzymen behoren tot twee structureel verschillende families, elk met 10 aaRSs. Carter's recente experimentele studies toonden aan dat de twee kleine enzym-voorouders van deze twee families werden gecodeerd door tegenovergestelde, complementaire strengen van hetzelfde kleine gen. De eenvoud van deze regeling, met zijn aanvankelijke binaire code van slechts twee soorten aminozuren, suggereert dat het gebeurde aan het begin van de biologie. Bovendien, de strakke, De onderlinge yin-yang-afhankelijkheid van deze twee verwante maar zeer verschillende enzymen zou de vroege biologie hebben gestabiliseerd op een manier die de daarop volgende ordelijke diversificatie van het leven onvermijdelijk maakte.

"Deze onderling afhankelijke peptiden en de nucleïnezuren die ervoor coderen, zouden in staat zijn geweest om elkaars moleculaire zelforganisatie te ondersteunen, ondanks de voortdurende willekeurige verstoringen die alle moleculaire processen omringen, Carter zei. "Wij geloven dat dit vroeg in de geschiedenis van de aarde aanleiding gaf tot een peptide-RNA-wereld, ' zei Carter.

Gerelateerd onderzoek door Carter en UNC-collega Richard Wolfenden, doctoraat, onthulde eerder hoe de intieme chemie van aminozuren de eerste aaRS-enzymen in staat stelden om op de juiste manier te vouwen tot functionele enzymen, terwijl tegelijkertijd de toewijzingen in de universele genetische coderingstabel worden bepaald.

"De handhaving van de relatie tussen genen en aminozuren hangt af van aaRSs, die zelf worden gecodeerd door genen en gemaakt zijn van aminozuren, " zei Wills. "De aaRSs, beurtelings, afhankelijk zijn van diezelfde relatie. Hier is een basale reflexiviteit aan het werk. Theoreticus Douglas Hofstadter noemde het een 'vreemde lus'. Wij stellen voor om dit, te, speelde een cruciale rol in de zelforganisatie van de biologie toen het leven op aarde begon. Hofstadter betoogde dat reflexiviteit de kracht levert die de groei van complexiteit aanstuurt."

Carter en Wills ontwikkelden nog twee redenen waarom het onwaarschijnlijk was dat een zuivere RNA-biologie van enige betekenis voorafging aan een peptide-RNA-biologie. Een reden is katalyse - de versnelling van chemische reacties waarbij andere moleculen betrokken zijn.

Katalyse is een belangrijk kenmerk van de biologie dat RNA niet met veel veelzijdigheid kan uitvoeren. Vooral, RNA-enzymen kunnen hun activiteiten niet gemakkelijk aanpassen aan temperatuurveranderingen die waarschijnlijk zijn opgetreden toen de aarde afkoelde, en kan dus niet het zeer brede scala aan katalytische versnellingen uitvoeren die nodig zouden zijn geweest om de biochemie van vroege celgebaseerde levensvormen te synchroniseren. Alleen peptide- of eiwitenzymen hebben zo'n katalytische veelzijdigheid, zei Carter.

Ten tweede, Wills heeft aangetoond dat onmogelijke obstakels elke overgang van een pure-RNA-wereld naar een eiwit-RNA-wereld en verder naar het leven zouden hebben geblokkeerd.

"Zo'n opkomst van RNA naar celgebaseerd leven zou een out-of-the-blue verschijning van een aaRS-achtig eiwit hebben vereist dat zelfs beter werkte dan zijn aangepaste RNA-tegenhanger, " zei Carter. "Die uiterst onwaarschijnlijke gebeurtenis zou niet slechts één keer, maar meerdere keren moeten plaatsvinden - één keer voor elk aminozuur in de bestaande gen-eiwitcode. Het heeft gewoon geen zin."

Dus, omdat de nieuwe Carter-Wills-theorie echte problemen van de oorsprong van het leven aanpakt die verborgen worden door de doelmatigheid van de RNA-wereldhypothese, het is eigenlijk een veel eenvoudiger verslag van hoe de dingen waarschijnlijk zijn gebeurd net voordat het leven op aarde uit de oersoep opsteeg.