Wetenschappers hebben voor het eerst sterk bewijs gevonden dat RNA en DNA kunnen zijn ontstaan ​​uit dezelfde reeks voorlopermoleculen, zelfs voordat het leven zich ongeveer vier miljard jaar geleden op aarde ontwikkelde.

De vondst, gepubliceerd op 1 april in Natuurchemie , suggereert dat de eerste levende wezens op aarde zowel RNA als DNA hebben gebruikt, zoals alle op cellen gebaseerde levensvormen nu doen. In tegenstelling tot, de heersende wetenschappelijke opvatting - de 'RNA-wereld'-hypothese - is dat vroege levensvormen puur op RNA waren gebaseerd, en pas later geëvolueerd om DNA te maken en te gebruiken.

"Deze nieuwe bevindingen suggereren dat het misschien niet redelijk is voor chemici om zich zo sterk te laten leiden door de RNA World-hypothese bij het onderzoeken van de oorsprong van het leven op aarde, " zegt co-hoofdonderzoeker Ramanarayanan Krishnamurthy, doctoraat, universitair hoofddocent scheikunde bij Scripps Research.

Krishnamurthy en zijn lab werkten aan de studie met het lab van John Sutherland, DPhil, van het laboratorium voor moleculaire biologie van de UK Medical Research Council in Cambridge, als onderdeel van de in New York gevestigde Simons Foundation's Collaboration on the Origins of Life.

RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (desoxyribonucleïnezuur) lijken chemisch sterk op elkaar, maar scheikundigen hebben nooit kunnen aantonen hoe de ene op de vroege aarde in de andere kon worden omgezet, behalve met behulp van enzymen geproduceerd door vroege organismen. Gedeeltelijk vanwege dit gebrek aan een aangetoond pre-leven of "prebiotisch" chemisch pad dat RNA met DNA verbindt, onderzoekers op dit gebied zijn geneigd te denken dat hoe eenvoudiger, meer veelzijdige, RNA, was de basis voor de eerste levensvormen - of in ieder geval voor een vroege levensfase voorafgaand aan de opkomst van DNA. RNA kan genetische informatie opslaan zoals DNA dat kan, kan biochemische reacties katalyseren zoals eiwitenzymen dat kunnen, en anders had hij waarschijnlijk de biologische basistaken kunnen uitvoeren die nodig zouden zijn geweest in de eerste levensvormen.

Hoewel onderzoekers van oorsprong van het leven in de afgelopen decennia grotendeels de RNA World-hypothese zijn gaan omarmen, Sutherland, Krishnamurthy, Jack Szostak van Harvard en anderen hebben bewijs verzameld dat RNA en DNA in de eerste levensvormen min of meer tegelijk kunnen zijn ontstaan.

In een studie gepubliceerd in 2017 bijvoorbeeld, Krishnamurthy en collega's van Scripps Research identificeerden een verbinding die aannemelijk aanwezig was op de prebiotische aarde en die de cruciale taak had kunnen vervullen om RNA-bouwstenen te koppelen aan grotere, ketenachtige RNA-strengen - en zou hetzelfde kunnen hebben gedaan voor de bouwstenen van DNA en eiwitten.

In de nieuwe studie de wetenschappers combineerden inzichten uit dat onderzoek met recente bevindingen van Sutherland en zijn laboratorium over een verbinding genaamd thiouridine. De laatste was waarschijnlijk op aarde aanwezig voordat het leven ontstond, en zou een chemische voorloper kunnen zijn van de nucleoside-bouwstenen van vroege RNA's. Het team toonde aan dat in een paar chemische reactiestappen, die zich waarschijnlijk in een prebiotische wereld had kunnen voordoen, ze zouden deze voorloper van een RNA-bouwsteen kunnen omzetten in een DNA-bouwsteen - deoxyadenosine, die de letter "A" vormt in de moderne, vierletterige DNA-code. Als alternatief kunnen ze thiouridine omzetten in deoxyribose, die zeer nauw verwant is aan deoxyadenosine en mogelijk ook een voorloper was van vroege DNA-bouwstenen.

De bevinding moet het voor wetenschappers gemakkelijker maken om de mogelijkheid te accepteren dat DNA en RNA samen zijn ontstaan ​​​​en werden opgenomen in de eerste levensvormen. Sommige onderzoekers, waaronder Sutherland, hebben gesuggereerd dat RNA en DNA zelfs met elkaar zijn vermengd om de eerste genen te maken. Van een dergelijk organisme is niet bekend dat het nu van nature voorkomt, maar een recent artikel van Peter Schultz van Scripps Research, doctoraat en collega's beschreven een gemanipuleerde bacterie die kan overleven met genen gemaakt van een RNA/DNA-mix.

Krishnamurthy vermoedt dat, hoe het leven ook ontstond, RNA en DNA met hun respectievelijke sterke en zwakke punten zouden zichzelf snel hebben ingedeeld in de nogal strikte taakverdeling die tegenwoordig in alle cellen wordt gezien:DNA voor de stabiele langetermijnopslag van genetische informatie, en RNA voor zijn eigen speciale takenpakket, waaronder het op korte termijn opslaan en transporteren van genetische informatie en het maken van eiwitten.

"Er is het begin van een besef in het veld dat RNA en DNA aanvankelijk met elkaar hadden kunnen worden gemengd, maar later gescheiden volgens de dingen waar ze het beste in zijn, ' zegt Krishnamurthy.

De auteurs van de studie, "Prebiotische fosforylering van 2-thiouridine levert nucleotiden of DNA-bouwstenen op via fotoreductie, " waren Jianfeng Xu, Nicolaas Groen, en John Sutherland van MRC, en Clémentine Gibard en Ramanarayanan Krishnamurthy van Scripps Research.