Chemici van Scripps Research hebben een ontdekking gedaan die een verrassende nieuwe kijk op hoe het leven op onze planeet is ontstaan, ondersteunt.

In een studie gepubliceerd in het chemietijdschrift Angewandte Chemie , ze toonden aan dat een eenvoudige verbinding genaamd diamidofosfaat (DAP), die aannemelijk op aarde aanwezig was voordat het leven ontstond, zou chemisch kleine DNA-bouwstenen, deoxynucleosiden genaamd, kunnen hebben samengevoegd tot strengen oer-DNA.

De bevinding is de laatste in een reeks van ontdekkingen, de afgelopen jaren, wijzend op de mogelijkheid dat DNA en zijn nauwe chemische neef RNA samen zijn ontstaan ​​als producten van vergelijkbare chemische reacties, en dat de eerste zelfreplicerende moleculen - de eerste levensvormen op aarde - mengsels van de twee waren.

De ontdekking kan ook leiden tot nieuwe praktische toepassingen in de chemie en biologie, maar de belangrijkste betekenis ervan is dat het de eeuwenoude vraag behandelt hoe het leven op aarde voor het eerst ontstond. Vooral, het maakt de weg vrij voor uitgebreidere studies over hoe zelfreplicerende DNA-RNA-mengsels zich hebben kunnen ontwikkelen en zich op de oorspronkelijke aarde hebben kunnen verspreiden en uiteindelijk de meer volwassen biologie van moderne organismen hebben voortgebracht.

"Deze bevinding is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een gedetailleerd chemisch model van hoe de eerste levensvormen op aarde zijn ontstaan, " zegt senior auteur Ramanarayanan Krishnamurthy, doctoraat, universitair hoofddocent scheikunde bij Scripps Research.

De bevinding duwt het veld van de chemie van de oorsprong van het leven ook weg van de hypothese die het de afgelopen decennia heeft gedomineerd:de "RNA World"-hypothese stelt dat de eerste replicators op RNA waren gebaseerd, en dat DNA pas later ontstond als een product van RNA-levensvormen.

Is RNA te plakkerig?

Krishnamurthy en anderen hebben de RNA World-hypothese gedeeltelijk in twijfel getrokken omdat RNA-moleculen eenvoudigweg te "plakkerig" waren om als de eerste zelfreplicators te dienen.

Een streng RNA kan andere individuele RNA-bouwstenen aantrekken, die eraan blijven plakken om een ​​soort spiegelbeeldige streng te vormen - elke bouwsteen in de nieuwe streng bindt aan zijn complementaire bouwsteen op het origineel, streng "sjabloon". Als de nieuwe streng los kan komen van de sjabloonstreng, en, door hetzelfde proces, begin met het ontwerpen van andere nieuwe onderdelen, dan heeft het de prestatie van zelfreplicatie bereikt die ten grondslag ligt aan het leven.

Maar hoewel RNA-strengen goed kunnen zijn in het modelleren van complementaire strengen, ze zijn niet zo goed in het scheiden van deze strengen. Moderne organismen maken enzymen die tweelingstrengen van RNA - of DNA - kunnen dwingen hun eigen weg te gaan, waardoor replicatie mogelijk wordt, maar het is onduidelijk hoe dit kon in een wereld waar enzymen nog niet bestonden.

Een chimerische oplossing

Krishnamurthy en collega's hebben in recente onderzoeken aangetoond dat "chimere" moleculaire strengen die deels DNA en deels RNA zijn, dit probleem mogelijk hebben kunnen omzeilen. omdat ze complementaire strengen kunnen vormen op een minder plakkerige manier waardoor ze relatief gemakkelijk kunnen worden gescheiden.

De chemici hebben de afgelopen jaren in veel geciteerde artikelen ook aangetoond dat de eenvoudige bouwstenen van ribonucleoside en deoxynucleoside, van respectievelijk RNA en DNA, zou zijn ontstaan ​​onder zeer vergelijkbare chemische omstandigheden op de vroege aarde.

Bovendien, in 2017 meldden ze dat de organische verbinding DAP de cruciale rol had kunnen spelen bij het modificeren van ribonucleosiden en het samenbinden ervan tot de eerste RNA-strengen. De nieuwe studie toont aan dat DAP onder vergelijkbare omstandigheden hetzelfde had kunnen doen voor DNA.

"We hebben gevonden, tot onze verbazing, dat het gebruik van DAP om te reageren met deoxynucleosiden beter werkt wanneer de deoxynucleosiden niet allemaal hetzelfde zijn, maar in plaats daarvan mengsels zijn van verschillende DNA-letters zoals A en T, of G en C, als echt DNA, " zegt eerste auteur Eddy Jiménez, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het Krishnamurthy-lab.

"Nu we beter begrijpen hoe een oerchemie de eerste RNA's en DNA's had kunnen maken, we kunnen het gaan gebruiken op mengsels van ribonucleoside- en deoxynucleoside-bouwstenen om te zien welke chimere moleculen worden gevormd - en of ze zichzelf kunnen repliceren en evolueren, ' zegt Krishnamurthy.

Hij merkt op dat het werk ook brede praktische toepassingen kan hebben. De kunstmatige synthese van DNA en RNA - bijvoorbeeld in de "PCR"-techniek die ten grondslag ligt aan COVID-19-tests - komt neer op een enorme wereldwijde onderneming, maar is afhankelijk van enzymen die relatief kwetsbaar zijn en dus veel beperkingen hebben. Robuust, enzymvrije chemische methoden voor het maken van DNA en RNA kunnen in veel contexten aantrekkelijker zijn, zegt Krishnamurthy.