Chemische reacties, aangedreven door de geologische omstandigheden op de vroege aarde, hebben mogelijk geleid tot de prebiotische evolutie van zelfreplicerende moleculen. Wetenschappers van de Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) in München rapporteren nu over een hydrothermisch mechanisme dat het proces had kunnen bevorderen.

Het leven is een product van evolutie door natuurlijke selectie. Dat is de les om mee naar huis te nemen uit het boek van Charles Darwin "The Origin of Species, " meer dan 150 jaar geleden gepubliceerd. Maar hoe begon de geschiedenis van het leven op onze planeet? Wat voor soort proces had kunnen leiden tot de vorming van de vroegste vormen van de biomoleculen die we nu kennen, waaruit vervolgens de eerste cel ontstond? Wetenschappers geloven dat, op de (relatief) jonge aarde, omgevingen moeten hebben bestaan, die bevorderlijk waren voor prebiotische, moleculaire evolutie. Een toegewijde groep onderzoekers is bezig met pogingen om de voorwaarden te definiëren waaronder de eerste voorzichtige stappen in de evolutie van complexe polymere moleculen uit eenvoudige chemische voorlopers haalbaar hadden kunnen zijn. "Om het hele proces op gang te brengen, prebiotische chemie moet worden ingebed in een omgeving waarin een geschikte combinatie van fysische parameters ervoor zorgt dat een niet-evenwichtstoestand heerst, " legt LMU-biofysicus Dieter Braun uit. Samen met collega's van het Salk Institute in San Diego, hij en zijn team hebben nu een grote stap gezet in de richting van de definitie van een dergelijke staat. Hun laatste experimenten hebben aangetoond dat de circulatie van warm water (geleverd door een microscopische versie van de Golfstroom) door poriën in vulkanisch gesteente de replicatie van RNA-strengen kan stimuleren. De nieuwe bevindingen verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Als de dragers van erfelijke informatie in alle bekende levensvormen, RNA en DNA vormen de kern van onderzoek naar de oorsprong van het leven. Beide zijn lineaire moleculen die bestaan ​​uit vier soorten subeenheden die basen worden genoemd, en beide kunnen worden gerepliceerd - en daarom worden overgedragen. De volgorde van basen codeert voor de genetische informatie. Echter, de chemische eigenschappen van RNA-strengen verschillen subtiel van die van DNA. Terwijl DNA-strengen paren om de beroemde dubbele helix te vormen, RNA-moleculen kunnen vouwen tot driedimensionale structuren die veel gevarieerder en functioneel veelzijdiger zijn. Inderdaad, Van specifiek gevouwen RNA-moleculen is aangetoond dat ze chemische reacties katalyseren, zowel in de reageerbuis als in cellen, net zoals eiwitten dat doen. Deze RNA's werken daarom als enzymen, en worden 'ribozymen' genoemd." Het vermogen om chemische transformaties te repliceren en te versnellen motiveerde de formulering van de 'RNA-wereld'-hypothese. Dit idee stelt dat, tijdens de vroege moleculaire evolutie, RNA-moleculen dienden zowel als opslag van informatie zoals DNA, en als chemische katalysatoren. De laatste rol wordt vervuld door eiwitten in de organismen van vandaag, waar RNA's worden gesynthetiseerd door enzymen die RNA-polymerasen worden genoemd.

Ribozymen die korte RNA-strengen aan elkaar kunnen koppelen - en sommige die korte RNA-templates kunnen repliceren - zijn gecreëerd door mutatie en darwinistische selectie in het laboratorium. Een van deze 'RNA-polymerase'-ribozymen werd in de nieuwe studie gebruikt.

Het verwerven van het vermogen tot zelfreplicatie van RNA wordt gezien als het cruciale proces in de prebiotische moleculaire evolutie. Om de omstandigheden te simuleren waaronder het proces tot stand had kunnen komen, Braun en zijn collega's zetten een experiment op waarin een cilindrische kamer van 5 mm dient als het equivalent van een porie in een vulkanisch gesteente. Op de vroege aarde, poreuze rotsen zouden zijn blootgesteld aan natuurlijke temperatuurgradiënten. Hete vloeistoffen die door de rotsen onder de zeebodem sijpelen, zouden op de zeebodem in kouder water terecht zijn gekomen, bijvoorbeeld. Dit verklaart waarom onderzeese hydrothermale bronnen de omgeving zijn voor de oorsprong van het leven waar veel onderzoekers de voorkeur aan geven. In kleine poriën, temperatuurschommelingen kunnen zeer groot zijn, en aanleiding geven tot warmteoverdracht en convectiestromen. Deze omstandigheden kunnen gemakkelijk worden gereproduceerd in het laboratorium. In de nieuwe studie het LMU-team verifieerde dat dergelijke gradiënten de replicatie van RNA-sequenties enorm kunnen stimuleren.

Een groot probleem met een door ribozym aangedreven scenario voor replicatie van RNA is dat het eerste resultaat van het proces een dubbelstrengs RNA is. Om cyclische replicatie te bereiken, de strengen moeten worden gescheiden ('gesmolten'), en dit vereist hogere temperaturen, die waarschijnlijk het ribozym zullen ontvouwen - en inactiveren. Braun en collega's hebben nu aangetoond hoe dit kan worden vermeden. "Bij ons experiment lokale verwarming van de reactiekamer zorgt voor een steile temperatuurgradiënt, die een combinatie van convectie, thermoforese en Brownse beweging, " zegt Braun. Convectie brengt het systeem in beweging, terwijl thermoforese moleculen op een grootteafhankelijke manier langs de gradiënt transporteert. Het resultaat is een microscopische versie van een oceaanstroom zoals de Golfstroom. Dit is essentieel, omdat het korte RNA-moleculen naar warmere streken transporteert, terwijl de grotere, warmtegevoelig ribozym hoopt zich op in de koelere streken, en is beschermd tegen smelten. Inderdaad, de onderzoekers waren verbaasd om te ontdekken dat de ribozymmoleculen aggregeerden om grotere complexen te vormen, wat hun concentratie in de koudere regio verder verbetert. Op deze manier, de levensduur van de labiele ribozymen kan aanzienlijk worden verlengd, ondanks de relatief hoge temperaturen. "Dat was een complete verrassing, ' zegt Braun.

De lengtes van de verkregen gerepliceerde strengen zijn nog relatief beperkt. De kortste RNA-sequenties worden efficiënter gedupliceerd dan de langere, zodat de dominante replicatieproducten tot een minimale lengte worden gereduceerd. Vandaar, ware darwinistische evolutie, die de synthese van steeds langere RNA-strengen bevordert, komt onder deze omstandigheden niet voor. "Echter, op basis van onze theoretische berekeningen, we zijn ervan overtuigd dat verdere optimalisatie van onze temperatuurvallen haalbaar is, ", zegt Braun. Een systeem waarin het ribozym is samengesteld uit kortere RNA-strengen, die het afzonderlijk kan repliceren, is ook een mogelijke weg vooruit.