Proberen uit te leggen hoe DNA en RNA evolueerden om zulke nette spiralen te vormen, was een berucht raadsel in de wetenschap. Maar een nieuwe studie suggereert dat de rotatie miljarden jaren geleden gemakkelijk heeft plaatsgevonden toen de chemische voorouders van RNA terloops in spiraalvormige strengen spinden.

In het labortorium, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology waren verrast om te zien dat ze het deden onder omstandigheden waarvan men dacht dat ze gebruikelijk waren op aarde net voordat het eerste leven zich ontwikkelde:in gewoon water, zonder katalysatoren, en op kamertemperatuur.

De nette spiraalvorm integreerde ook op elegante wijze een andere verbinding die tegenwoordig de ruggengraat vormt van RNA en DNA. De resulterende structuur had kenmerken die sterk op RNA leken.

Cruciale wendingen

De studie is een stap dichter bij het beantwoorden van een kip-ei-vraag gekomen over het evolutionaire pad dat leidde tot RNA (waaruit later DNA is geëvolueerd):kwam de spiraal eerst, en had deze structuur invloed op welke moleculaire componenten het later in RNA maakten omdat ze goed in de spiraal pasten?

"Het spiraliseren had een versterkend effect kunnen hebben. Het zou de moleculen die dezelfde chiraliteit (curve) hebben, gemakkelijker met elkaar kunnen verbinden om zich te verbinden tot een gemeenschappelijke ruggengraat die compatibel is met de spiraalvormige draai, " zei de hoofdonderzoeker van de studie, Nicholas Hud, een Regents Professor in Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.

De onderzoekers publiceerden de nieuwe studie in het tijdschrift Angewandte Chemie in december 2018. Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation en het NASA Astrobiology Program onder het Center for Chemical Evolution. Het hoofdkantoor is gevestigd in Georgia Tech, en Hud is de hoofdonderzoeker.

De resulterende polymeren van de studie waren geen RNA, maar zouden een belangrijke tussenstap kunnen zijn in de vroege evolutie van RNA. Voor bouwstenen, gebruikten de onderzoekers basismoleculen die "proto-nucleobasen, " waarvan sterk wordt vermoed dat het voorlopers zijn van nucleobasen, belangrijkste componenten die genetische code transporteren in het huidige RNA.

Nucleobase-paradox

De studie moest een paradox in de chemische evolutie omzeilen:

Het maken van RNA of DNA met behulp van hun werkelijke nucleobasen in het laboratorium zonder de hulp van de enzymen van levende cellen die dit werk gewoonlijk doen, is meer dan een gigantische taak. Dus, hoewel RNA en DNA nu alomtegenwoordig zijn op aarde, hun evolutie op de aarde vóór het leven lijkt een anomalie te zijn geweest die grillige convergentie van extreme omstandigheden vereist.

Daarentegen, het model van chemische evolutie van de Georgia Tech-onderzoekers houdt in dat voorloper-nucleobasen zich gemakkelijk zelf assembleren tot voorouderlijke prototypen - die polymeerachtig waren en assemblages werden genoemd - die later evolueerden tot RNA.

"We zouden deze 'proto-nucleobasen' of 'voorouderlijke nucleobasen' noemen, '" zei Hud. "Voor ons algemene model van chemische evolutie, we zeggen dat deze proto-nucleobasen, die zichzelf assembleren tot deze lange strengen, zou deel kunnen uitmaken van een zeer vroeg stadium voordat moderne nucleobasen werden opgenomen."

Een belangrijke vermoedelijke proto-nucleobase in dit experiment - en in eerdere experimenten over de mogelijke evolutie van RNA - was triaminopyrimidine (TAP). Cyanuurzuur (CA) was een andere. De onderzoekers vermoeden zeer sterk dat TAP en CA delen van een proto-RNA waren.

De chemische bindingen die assemblages van de twee vermoedelijke proto-nucleobasen bij elkaar houden, waren verrassend sterk maar niet-covalent, wat verwant is aan het verbinden van twee magneten. In RNA zijn de belangrijkste bindingen die moderne nucleobasen bij elkaar houden covalente bindingen, vergelijkbaar met lassen, en enzymen maken die bindingen tegenwoordig in cellen.

spiraalvormige vooroordelen

Een helix kan twee kanten op draaien, linkshandig of rechtshandig. In de chemie, een molecuul kan ook worden overhandigd, of chiraal, maken voor "L" of "D" vormen van het molecuul.

Overigens, de bouwstenen van het huidige RNA en DNA zijn allemaal de D-vorm, die een rechtshandige helix vormen. Waarom ze zo zijn geëvolueerd, is nog steeds een mysterie.

Batches van TAP en CA waarmee de onderzoekers begonnen, produceerden ongeveer gelijke hoeveelheden rechts- en linkshandige helices, maar iets viel op:hele regio's van een batch waren in één richting bevooroordeeld en waren gescheiden van andere regio's die meestal de andere kant op draaiden.

"De neiging van de moleculen om één spiraalvormige richting te kiezen was zo sterk dat grote delen van de batches voornamelijk bestonden uit assemblages die in één richting gedraaid waren, ' zei Hoed.

Dit was verrassend omdat de individuele moleculen van TAP en CA geen eigen chiraliteit hadden, noch L noch D. Toch, de wendingen hadden een voorkeursrichting.

'wereldrecord'

De onderzoekers voegden nog twee experimenten toe om te testen hoe sterk hun RNA-achtige assemblages de voorkeur gaven aan het maken van helices met één hand.

Eerst, ze introduceerden een smidgeon van verbindingen vergelijkbaar met TAP en CA, maar die L- of D-chiraliteit had, om de spiraalrichting te duwen. De hele batch voldeed aan de chiraliteit van het betreffende additief, resulterend in assemblages die in een uniforme richting draaien, zoals helices tegenwoordig doen in RNA en DNA.

"Het was het nieuwe wereldrecord voor de kleinste hoeveelheid van een chirale doteringsstof (additief) die een hele oplossing zou omdraaien, " zei Suneesh Karunakaran, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde onderzoeker in het laboratorium van Hud. "Dit toonde aan hoe gemakkelijk het in de natuur zou zijn om overvloedige hoeveelheden verenigde helices te krijgen."

Tweede, ze zetten de suikerverbinding ribose-5-fosfaat samen met TAP om de huidige bouwstenen van RNA beter na te bootsen. De ribose viel op zijn plaats, en het resulterende samenstel draaide in een richting die werd bepaald door de ribose-chiraliteit.

"Dit molecuul vormde gemakkelijk een RNA-achtige assemblage die verrassend stabiel was, ook al werden de stukjes alleen bij elkaar gehouden door niet-covalente bindingen, ' zei Karunakaran.

Evolutie revolutie

De resultaten van de studie onder zulke eenvoudige omstandigheden vertegenwoordigen een sprong voorwaarts in experimenteel bewijs voor hoe de spiraalvormige draai van biomoleculen al lang voordat het leven ontstond, op zijn plaats had kunnen zijn.

Het onderzoek breidt ook een groeiend aantal bewijzen uit dat een onconventionele hypothese ondersteunt door het Centrum voor Chemische Evolutie, wat de noodzaak wegneemt van een verhaal dat zeldzame rampen en onwaarschijnlijke ingrediënten nodig waren om de vroege bouwstenen van het leven te produceren.

In plaats daarvan, de meeste biomoleculen zijn waarschijnlijk in verschillende geleidelijke stappen ontstaan, op rustig, door regen geveegde zandvlakten of rotsen aan de oever van het meer die door golven worden omspoeld. Voorlopermoleculen met de juiste reactiviteit maakten die stappen gemakkelijk mogelijk en produceerden overvloedige materialen voor verdere evolutionaire stappen.

Kelder ingenieur

In het labortorium, helix zelfassemblage was zo productief dat het het vermogen van een detectieapparaat om de output te onderzoeken, overtrof. Gebieden van een vierkante millimeter of meer waren verpakt met unidirectionele spiraalvormige polymeerachtige assemblages.

"Om ze te bekijken moest ik aanpassingen doen aan de apparatuur, " zei Karunakaran. "Ik heb gaten in een folie geponst en die voor de straal van onze spectropolarimeter geplaatst."

Dat werkte maar moest worden verbeterd, dus ging Hud naar zijn kelder thuis om een ​​geautomatiseerde scanner te bouwen die de overvloedige resultaten van het experiment aankon. Het onthulde grote gebieden van helices met dezelfde handigheid.