ETH-wetenschappers hebben kunnen bewijzen dat een in de natuur wijdverbreide eiwitstructuur - het amyloïde - in theorie in staat is zichzelf te vermenigvuldigen. Dit maakt het een potentiële voorloper van moleculen die worden beschouwd als de bouwstenen van het leven.

Lange tijd beschouwd als een biologische afwijking, amyloïden zijn vezelachtige aggregaten van korte eiwitfragmenten. Amyloïden hebben een slechte reputatie omdat men denkt dat ze de oorzaak zijn van meerdere neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer, Parkinson en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob.

Pas onlangs ontdekten onderzoekers dat amyloïden voorkomen als structurele en functionele bouwstenen in een breed scala aan levensvormen, van bacteriën, gist en schimmels voor de mens. Bij gewervelde dieren, ze spelen een rol bij de aanmaak van het pigment melanine, terwijl gistcellen amyloïde aggregaten gebruiken om een ​​soort moleculair geheugen te vormen.

Katalysatoren in prebiotische evolutie

Samengesteld uit korte peptiden, amyloïde vezels kunnen chemische reacties versnellen op een vergelijkbare manier als enzymen; ze worden dus al enkele jaren beschouwd als kandidaten voor de eerste voorlopermoleculen van het leven. Tot nu, echter, een belangrijke chemische eigenschap ontbrak in de theorie van de rol van amyloïden bij abiogenese:zelfreplicatie.

Vroege voorstanders van de amyloïde-hypothese zijn onder meer ETH-professor Roland Riek en zijn senior assistent Jason Greenwald, van het Laboratorium voor Fysische Chemie. In een experiment, ze hebben nu kunnen aantonen dat amyloïden kunnen dienen als chemische template voor de synthese van korte peptiden. En het kritieke punt:"Dit vermogen is mogelijk ook van toepassing op het amyloïde zelf - wat betekent dat de moleculen zichzelf kunnen repliceren, ", zegt Riek. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in een studie in Natuurcommunicatie .

Sjabloon voor zelfreplicatie

Het vermogen om zichzelf te repliceren wordt beschouwd als een essentiële voorwaarde voor elke vroege vorm van leven. Door te bewijzen dat amyloïden zichzelf repliceren, Riek en zijn team hebben niet alleen een ander verbazingwekkend aspect van dit vaak onderschatte eiwit benadrukt, maar vulde ook een voorheen ontbrekende schakel in het argument van de amyloïde hypothese in.

Bijna twee jaar eerder, de ETH-wetenschappers hadden al in een experiment bewezen dat amyloïde structuren zich met verbazingwekkend gemak spontaan kunnen vormen - van eenvoudige aminozuren die waarschijnlijk al bestonden toen de aarde nog levenloos was, en onder reactieomstandigheden die zeer aannemelijk lijken voor de oersoep (zoals ETH News meldde).

Hetzelfde geldt voor de nieuw ontdekte peptidesynthese:"Het reactiemechanisme lijkt van algemene aard te zijn. Het is stabiel over een breed bereik van temperaturen en zoutconcentraties, in zowel zure als alkalische omgevingen, ", legt Greenwald uit.

Deze ontdekking versterkt de mening van de onderzoekers dat vroeg in de evolutionaire geschiedenis, amyloïden zouden een centrale rol kunnen hebben gespeeld in de ontwikkeling van vroege levensvormen als informatiedragers en katalytische eenheden.

Niet alleen een RNA-wereld

Tot nu, echter, het meest wijdverbreide idee voor het moleculaire begin van het leven is de RNA-hypothese, die ribonucleïnezuur (RNA) ziet als de enige hoofdrolspeler in de prebiotische oersoep. Dit is zo omdat, zoals het genetisch materiaal DNA, RNA-moleculen kunnen informatie coderen, en zijn ook in staat om zichzelf te repliceren.

De ETH-onderzoekers pikken nu het heersende dogma van een op RNA gebaseerde wereld weg. Ze denken dat de amyloïde hypothese aannemelijker is; ten eerste, omdat RNA-moleculen met een biologische functie veel groter en complexer zijn, dus het is onwaarschijnlijk dat ze zich spontaan vormen onder prebiotische omstandigheden. "Aanvullend, amyloïden zijn veel stabieler dan vroege nucleïnezuurpolymeren, en ze hebben een veel eenvoudigere abiotische syntheseroute vergeleken met de complexiteit van bekende katalytische RNA's, ’ zegt Groenwald.

Riek voegt toe:"We zullen nooit kunnen bewijzen wat waar is - om dat te doen, we zouden de laatste 4 tot 4,5 miljard jaar evolutie moeten terugdraaien. Echter, we vermoeden dat het niet één was, maar meerdere moleculaire processen met verschillende voorafgaande moleculen die betrokken waren bij het creëren van leven."