Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben mogelijk vooruitgang geboekt bij het helpen bepalen van de oorsprong van het leven door drie verschillende moleculen te identificeren die zichzelf assembleren om een ​​moleculaire structuur te vormen met kenmerken die kenmerkend zijn voor modern RNA.

RNA – of ribonucleïnezuur – voert de instructies uit die in het DNA zijn gecodeerd, maar er wordt ook gedacht dat het zich vóór het DNA heeft ontwikkeld. Veel wetenschappers geloven dat nucleïnezuren – de 'NA' of 'RNA' – een sleutelrol hebben gespeeld bij het ontstaan ​​van leven. Een populaire theorie genaamd de 'RNA-wereld' stelt dat RNA eiwitten heeft 'uitgevonden' en uiteindelijk DNA, maar dat roept de vraag op, waar komt RNA vandaan? Sommigen geloven dat een chemisch of biologisch proces geleidelijk een eerder molecuul tot RNA heeft ontwikkeld, terwijl anderen het toeschrijven aan een soort niet-enzymatisch, geochemische reactie. Het is een kip-of-ei-discussie:welk biologisch proces zou een centrale bouwsteen voor het leven zelf kunnen opleveren? Als het proces niet biologisch was, wat was het dan en hoe is het gebeurd?

De nieuwe studie gaat verder in de traditie van het Miller-Urey-experiment uit 1953, waarin twee wetenschappers de omstandigheden van de vroege aarde modelleerden met een mengsel van gassen en een elektrische stroom om bliksem te simuleren. Dat experiment leverde aminozuren op, ter ondersteuning van het idee dat biologische moleculen onder de juiste omstandigheden spontaan uit niet-biologische kunnen voortkomen. Ondanks die bevinding, de uitdaging om een ​​scenario te bedenken waarin niet-biologische reacties RNA creëren, is tot nu toe onoverkomelijk gebleken.

De oorsprong van RNA verloren in de nevelen van de tijd

Een van de auteurs van het onderzoek, biochemicus Dr. Nicholas Hud, merkt op dat de vele criteria voor RNA-vorming vaak betekenen dat wanneer onderzoekers een oplossing voor één probleem voorstellen, een ander probleem (of twee) doet zich voor. De schakels van de RNA-keten, die nucleotiden worden genoemd, bestaan ​​uit vier basen:adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U), evenals een fosfaat en een ribosesuiker. Leslie Orgel, die een pionier was van het RNA World-idee, beschreef de mogelijkheid dat RNA uit een eerder molecuul evolueerde een "somber vooruitzicht, " omdat het het moeilijker zou maken om de oorsprong van RNA op te lossen. De onderzoekers besloten dat het tijd was om die uitdaging aan te gaan.

Een heranalyse in 2008 van het Miller-Urey-experiment onthult de productie van veel meer niet-biologische moleculen dan eerder werd gedacht, die de hypothese van de auteurs ondersteunt dat moleculen die nodig zijn voor het leven op prebiotische aarde bestonden, maar omdat ze geen grote rol spelen in het leven zoals we dat nu kennen, we zijn er niet achter welke moleculen of welke rollen ze al die miljarden jaren geleden speelden.

Volgens Hoed, die moleculen waren "waarschijnlijk heel speciaal omdat de moleculen die we kennen zich niet gedragen op een manier die aangeeft dat ze in staat zijn om het leven te beginnen." Die moleculen kunnen ook antwoorden bevatten op andere vragen over de oorsprong van het leven.

De evolutie naar RNA van een eerder genetisch molecuul, of proto-RNA, zou incrementeel zijn geweest, en elke nieuwe iteratie zou achterwaarts compatibel zijn geweest, "zoals hoe een bijgewerkte computer nog steeds bestanden van oudere computers moet kunnen lezen, "Hud vertelt" Tijdschrift voor Astrobiologie . Tegenwoordig gebruiken RNA en DNA waterstofgebonden basenparen om informatie over te dragen. Dus, de moleculen die niet dezelfde of vergelijkbare basenparen vormen, zouden nooit hebben gewerkt, wat de onderzoekers ertoe bracht te zoeken naar "basenparende moleculen die zichzelf op de vroege aarde zouden selecteren of scheiden in een soort structuur die hen zou helpen om in proto-RNA te worden opgenomen, " zegt Hoed.

De zoektocht naar de originele moleculen

Wat waren die oermoleculen die de voorouder van RNA vormden? Om dit te bepalen, de onderzoekers bestudeerden reacties in omstandigheden die regen- en verdampingscycli op de vroege aarde nabootsten. Na vele mislukte experimenten, ze identificeerden drie moleculaire kandidaten voor de basen van proto-RNA:barbituurzuur, melamine, en 2, 4, 6-triaminopyrimidine. Reacties met deze moleculen en de ribosesuiker produceerden nucleosiden, Dit zijn samengestelde moleculen die dicht bij de subeenheden van RNA liggen.

Terwijl eerdere pogingen om de huidige basen van RNA te verbinden met ribose in vroege aardreacties die werden gemodelleerd, faalden, of produceerde nucleosiden in slechts zeer lage opbrengsten, de onderzoekers maten een nucleosideopbrengst van 82% met barbituurzuur. Aanvullend, melamine en de triaminoprymidine-moleculen vormden spontaan nucleosiden met opbrengsten van meer dan 50%. Dr. Niles Lehman, Professor in de chemie aan de Portland State University en hoofdredacteur van de Journal of Molecular Evolution , is van mening dat de studie "verdere ondersteuning biedt voor de RNA World-theorie door een plausibele reeks gebeurtenissen te bieden die de natuur van chemische chaos naar een meer gedefinieerde opslaginformatiemolecuul hebben gebracht."

Dat pad is niet helemaal duidelijk, maar het begint vorm te krijgen. Volgens Hoed, hun kandidaten voor de voorouderlijke basen van RNA liggen verleidelijk dicht bij die van modern RNA. Echter, er moet meer gebeuren.

"De moleculen die we hebben geïdentificeerd, zien eruit alsof ze in een vroeg genetisch systeem hebben gefunctioneerd, " zegt Hud. "Maar we willen moleculen dichtbij genoeg zodat je je een evolutionair pad kunt voorstellen waar ze veranderen in wat we nu hebben." Hoewel aantoonbare aannemelijkheid een stap voorwaarts betekent, de vraag blijft of het mogelijk is om te vinden, en bevestig vervolgens, de oorspronkelijke proto-RNA-moleculen. Hud erkent dat hoewel de zoektocht misschien ontmoedigend lijkt, "chemie is enorm, maar niet oneindig. Als we een paar redelijke veronderstellingen over de voorouder van RNA accepteren, kunnen we veel mogelijkheden uitsluiten. En misschien kunnen we het vinden." Deze studie is een belangrijke stap op dat pad.

Oorsprong van het leven elders

Uitzoeken hoe RNA is gevormd, kan helpen bij het zoeken naar buitenaards leven. "We kunnen waardevol inzicht krijgen in de belangrijkste problemen die moeten worden overwonnen om leven te laten voortkomen uit niet-leven, "Lehman vertelt" Tijdschrift voor Astrobiologie .

Door te begrijpen hoe leven ontstaat, kunnen wetenschappers bepalen waar en hoe ze elders naar leven moeten zoeken. Aminozuren en chemische verbindingen zoals waterstofcyanide, die is gedetecteerd in kometen, aanleiding kunnen geven tot RNA-basen, volgens Hoed. Een dergelijke reactie zou zijn "robuust, niet vreemd of buitengewoon, "zegt hij. Soortgelijke processen kunnen op andere planeten aan de gang zijn en kunnen wijzen op de scheikunde waar wetenschappers naar moeten zoeken bij het zoeken naar de vroegste levensfasen elders.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.