Alle levende wezens gebruiken de genetische code om op DNA gebaseerde genetische informatie te "vertalen" in eiwitten, die de belangrijkste werkende moleculen in cellen zijn. Hoe het complexe vertaalproces precies ontstond in de vroegste stadia van het leven op aarde, meer dan vier miljard jaar geleden, is lang mysterieus geweest, maar twee theoretische biologen hebben nu een aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van dit mysterie.

Karel Carter, doctoraat, hoogleraar biochemie en biofysica aan de UNC School of Medicine, en Peter Wils, doctoraat, een universitair hoofddocent biochemie aan de Universiteit van Auckland, gebruikte geavanceerde statistische methoden om te analyseren hoe moderne translationele moleculen in elkaar passen om hun werk te doen:korte reeksen genetische informatie koppelen aan de eiwitbouwstenen die ze coderen.

De analyse van de wetenschappers, gepubliceerd in Onderzoek naar nucleïnezuren , onthult voorheen verborgen regels waarmee belangrijke translationele moleculen vandaag de dag op elkaar inwerken. Het onderzoek suggereert hoe de veel eenvoudigere voorouders van deze moleculen begonnen samen te werken aan het begin van het leven.

"Ik denk dat we de onderliggende regels en de evolutionaire geschiedenis van genetische codering hebben opgehelderd, "Zei Carter. "Dit was al 60 jaar onopgelost."

Wills heeft toegevoegd, "De paren moleculaire patronen die we hebben geïdentificeerd, zijn misschien de eerste die de natuur ooit heeft gebruikt om informatie van de ene vorm naar de andere over te brengen in levende organismen."

De ontdekkingen concentreren zich op een klaverbladvormig molecuul genaamd transfer RNA (tRNA), een belangrijke speler in de vertaling. Een tRNA is ontworpen om een ​​eenvoudige eiwitbouwsteen te dragen, bekend als een aminozuur, op de lopende band van eiwitproductie binnen kleine moleculaire fabrieken die ribosomen worden genoemd. Wanneer een kopie of "transcript" van een gen dat een boodschapper-RNA (mRNA) wordt genoemd, uit de celkern tevoorschijn komt en een ribosoom binnengaat, het is gebonden aan tRNA's die hun aminozuurladingen dragen.

Het mRNA is in wezen een reeks genetische "letters" die instructies voor het maken van eiwitten beschrijven, en elk tRNA herkent een specifieke sequentie van drie letters op het mRNA. Deze reeks wordt een "codon" genoemd. Als het tRNA aan het codon bindt, het ribosoom koppelt zijn aminozuur aan het aminozuur dat eraan voorafging, verlenging van het groeiende peptide. Wanneer voltooid, de keten van aminozuren komt vrij als een nieuw geboren eiwit.

Eiwitten bij mensen en de meeste andere levensvormen zijn gemaakt van 20 verschillende aminozuren. Er zijn dus 20 verschillende soorten tRNA-moleculen, elk in staat om te koppelen aan een bepaald aminozuur. Samen met deze 20 tRNA's zijn 20 bijpassende helper-enzymen bekend als synthetasen (aminoacyl-tRNA-synthetasen), wiens taak het is om hun partner-tRNA's te laden met het juiste aminozuur.

"Je kunt deze 20 synthetasen en 20 tRNA's samen zien als een moleculaire computer die door evolutie is ontworpen om gen-naar-eiwit-translatie mogelijk te maken, ' zei Carter.

Biologen zijn al lang geïntrigeerd door deze moleculaire computer en de puzzel hoe deze miljarden jaren geleden is ontstaan. In recente jaren, Carter en Wills hebben van deze puzzel hun belangrijkste onderzoeksfocus gemaakt. Ze hebben laten zien, bijvoorbeeld, hoe de 20 synthetasen, die bestaan ​​in twee structureel verschillende klassen van 10 synthetasen, is waarschijnlijk ontstaan ​​uit slechts twee eenvoudigere, voorouderlijke enzymen.

Een vergelijkbare klassenindeling bestaat voor aminozuren, en Carter en Wills hebben betoogd dat dezelfde klassenindeling moet gelden voor tRNA's. Met andere woorden, ze stellen voor dat bij het aanbreken van het leven op aarde, organismen bevatten slechts twee soorten tRNA, die met twee soorten synthetasen zou hebben gewerkt om gen-naar-eiwit-translatie uit te voeren met slechts twee verschillende soorten aminozuren.

Het idee is dat dit systeem in de loop van eeuwen steeds specifieker werd, als elk van de oorspronkelijke tRNA's, synthetasen, en aminozuren werden aangevuld of verfijnd door nieuwe varianten totdat er verschillende klassen van 10 waren in plaats van elk van de twee oorspronkelijke tRNA's, synthetasen, en aminozuren.

In hun meest recente onderzoek Carter en Wills onderzochten moderne tRNA's op bewijs van deze oude dualiteit. Om dit te doen, analyseerden ze het bovenste deel van het tRNA-molecuul, bekend als de acceptorstam, waar partnersynthetasen binden. Hun analyse toonde aan dat slechts drie RNA-basen, of brieven, aan de bovenkant van de acceptorstam dragen een anders verborgen code die regels specificeert die tRNA's in twee klassen verdelen - precies overeenkomend met de twee klassen van synthetasen." Het zijn gewoon de combinaties van deze drie basen die bepalen welke klasse synthetase aan elk tRNA bindt , ' zei Carter.

De studie vond bij toeval bewijs voor een ander voorstel over tRNA's. Elk modern tRNA heeft aan het onderste uiteinde een "anticodon" dat het gebruikt om een ​​complementair codon op een mRNA te herkennen en eraan vast te houden. Het anticodon is relatief ver verwijderd van de synthetase-bindingsplaats, maar wetenschappers hebben sinds het begin van de jaren negentig gespeculeerd dat tRNA's ooit veel kleiner waren, het combineren van de anticodon- en synthetase-bindende regio's in één. De analyse van Wills en Carter laat zien dat de regels die zijn gekoppeld aan een van de drie klassebepalende basen - base nummer 2 in het totale tRNA-molecuul - in feite een spoor van het anticodon in een oude, afgeknotte versie van tRNA.

"Dit is een volkomen onverwachte bevestiging van een hypothese die al bijna 30 jaar bestaat, ' zei Carter.

Deze bevindingen versterken het argument dat het oorspronkelijke translationele systeem slechts twee primitieve tRNA's had, overeenkomend met twee synthetasen en twee soorten aminozuren. Naarmate dit systeem evolueerde om nieuwe aminozuren te herkennen en op te nemen, nieuwe combinaties van tRNA-basen in het synthetase-bindende gebied zouden zijn ontstaan ​​om gelijke tred te houden met de toenemende complexiteit, maar op een manier die detecteerbare sporen van de oorspronkelijke rangschikking achterliet.

"Deze drie klassenbepalende basen in hedendaagse tRNA's zijn als een middeleeuws manuscript waarvan de originele teksten zijn uitgewist en vervangen door nieuwere teksten, ' zei Carter.

De bevindingen verkleinen de mogelijkheden voor de oorsprong van genetische codering. Bovendien, ze versmallen het domein van toekomstige experimenten die wetenschappers zouden kunnen uitvoeren om vroege versies van het translationele systeem in het laboratorium te reconstrueren - en misschien zelfs dit eenvoudige systeem te laten evolueren naar complexere, moderne vormen van hetzelfde vertaalsysteem. Dit zou verder laten zien hoe het leven evolueerde van de eenvoudigste moleculen tot cellen en complexe organismen.