DNA is mogelijk eerder op aarde verschenen dan tot nu toe werd aangenomen. LMU-chemici onder leiding van Oliver Trapp laten zien dat een eenvoudige reactieroute aanleiding zou kunnen geven tot DNA-subeenheden op de vroege aarde.

Hoe werden de bouwstenen van het leven voor het eerst gevormd op de vroege aarde? tot nu toe, op deze vraag zijn slechts gedeeltelijk bevredigende antwoorden beschikbaar. Echter, één ding is duidelijk:het proces van biologische evolutie dat heeft geleid tot de diversiteit van het leven op onze planeet, moet zijn voorafgegaan door een fase van chemische evolutie. Tijdens deze 'prebiotische' fase, de eerste polymere moleculen die informatie konden opslaan en zichzelf konden reproduceren, werden willekeurig samengesteld uit organische voorlopers die op de vroege aarde beschikbaar waren. De meest efficiënte replicators evolueerden vervolgens naar de macromoleculaire informatie-nucleïnezuren - DNA en RNA - die de basis werden voor alle vormen van leven op onze planeet.

Al miljarden jaren, DNA is de primaire drager van erfelijke informatie in biologische organismen. DNA-strengen zijn opgebouwd uit vier soorten chemische subeenheden, en de genetische informatie die het bevat is gecodeerd in de lineaire sequentie van deze 'nucleosiden'. Bovendien, de vier subeenheden omvatten twee complementaire paren. Interacties tussen twee strengen met complementaire sequenties zijn verantwoordelijk voor de vorming van de beroemde dubbele helix, en spelen een cruciale rol bij DNA-replicatie. RNA heeft ook vitale functies bij de replicatie van DNA en bij de translatie van nucleotidesequenties in eiwitten.

Welke van deze twee soorten nucleïnezuur kwam eerst? Het unanieme antwoord op die vraag was tot nu toe RNA. Plausibele modellen die verklaren hoe RNA-moleculen konden worden gesynthetiseerd uit voorloperverbindingen in prebiotische omgevingen werden decennia geleden voor het eerst voorgesteld, en hebben sindsdien aanzienlijke experimentele steun gekregen. Bovendien, zijn conformationele veelzijdigheid stelt RNA in staat om zowel informatie op te slaan als als een katalysator te werken. Deze inzichten hebben geleid tot het idee van een 'RNA-wereld' die voorafging aan de opkomst van DNA, die nu goed ingeburgerd is onder specialisten. Hoe werden dan de eerste DNA-subeenheden gesynthetiseerd? De algemeen aanvaarde opvatting is dat dit proces werd gekatalyseerd door een enzym - een relatief complexe biomolecule waarvan de opkomst miljoenen jaren van evolutie zou hebben geëist.

Maar nu heeft een team van chemici onder leiding van LMU-professor Oliver Trapp een veel directer mechanisme voorgesteld voor de synthese van DNA-subeenheden uit organische verbindingen die in een prebiotische omgeving aanwezig zouden zijn geweest. "Het reactiepad is relatief eenvoudig, " zegt Trapp, wat suggereert dat het goed had kunnen worden gerealiseerd in een prebiotische setting. Bijvoorbeeld, het vereist geen variaties in reactieparameters, zoals temperatuur. In de experimenten van Trapp, de benodigde ingrediënten zijn water, een licht alkalische pH en temperaturen tussen 40 en 70°C. Onder dergelijke omstandigheden, voldoende hoge reactiesnelheden en productopbrengsten worden bereikt, met hoge selectiviteit en correcte stereochemie.

Elk van de nucleoside-subeenheden die in DNA worden gevonden, bestaat uit een stikstofbevattende base en een suiker die deoxyribose wordt genoemd. Tot nu toe, men dacht dat deoxynucleosiden alleen onder prebiotische omstandigheden konden worden gesynthetiseerd door deze twee voorgevormde componenten direct aan elkaar te koppelen. Maar er was nooit een aannemelijk niet-enzymatisch mechanisme voor een dergelijke stap voorgesteld. Het essentiële kenmerk van het nieuwe pad, zoals Trapp uitlegt, is dat de suiker niet in één stap aan de basis wordt gekoppeld. In plaats daarvan, het is opgebouwd op de voorgevormde base door een korte opeenvolging van reactiestappen met eenvoudige organische moleculen zoals aceetaldehyde en glyceraldehyde. In aanvulling, de LMU-onderzoekers hebben een tweede familie van mogelijke voorlopers van DNA geïdentificeerd waarin de deoxyribosegroep is vervangen door een andere suiker.

Volgens de auteurs van de studie, deze resultaten suggereren dat de vroegste DNA-moleculen parallel met RNA zouden kunnen zijn verschenen - zo'n 4 miljard jaar geleden. Dit zou betekenen dat DNA-moleculen zo'n 400 miljoen jaar eerder zijn ontstaan ​​dan eerder werd gedacht.