Eiwitachtige aggregaten, bekend als amyloïden, kunnen zich binden aan moleculen genetisch materiaal. Het is mogelijk dat deze twee soorten moleculen elkaar hebben gestabiliseerd tijdens de ontwikkeling van het leven – en dat dit zelfs de weg heeft vrijgemaakt voor de genetische code.

Hoe organismen zich ontwikkelen uit levenloze materie is een van de grootste vragen in de wetenschap. Hoewel er veel mogelijke verklaringen zijn voorgesteld, zijn er geen definitieve antwoorden. Dat is geen verrassing:deze processen vonden 3 miljard tot 4 miljard jaar geleden plaats, toen de omstandigheden op aarde compleet anders waren dan nu.

hypothesen rechtvaardigen met experimentele gegevens

‘Gedurende deze enorme periode heeft de evolutie de sporen die terugvoeren naar de oorsprong van het leven grondig uitgewist’, zegt Roland Riek, hoogleraar fysische chemie en adjunct-directeur van het nieuwe interdisciplinaire Center for Origin and Prevalence of Life van de ETH Zürich. De wetenschap heeft geen andere keuze dan hypothesen te formuleren – en deze zo goed mogelijk te onderbouwen met experimentele gegevens.

Riek en zijn team zijn al jaren bezig met het idee dat eiwitachtige aggregaten, bekend als amyloïden, een belangrijke rol zouden kunnen hebben gespeeld in de overgang tussen chemie en biologie.

De eerste stap van de onderzoeksgroep van Riek was om aan te tonen dat dergelijke amyloïden relatief gemakkelijk kunnen worden gevormd onder de omstandigheden die waarschijnlijk op de vroege aarde heersten:in het laboratorium is het enige dat nodig is een beetje vulkanisch gas (evenals experimentele vaardigheid en veel geduld). ) om eenvoudige aminozuren te combineren tot korte peptideketens, die zich vervolgens spontaan tot vezels assembleren.

Voorlopermoleculen van het leven

Later demonstreerde het team van Riek dat amyloïden zichzelf kunnen repliceren, wat betekent dat de moleculen aan een ander beslissend criterium voldoen om als voorlopermoleculen van het leven te worden beschouwd. En nu volgen de onderzoekers voor de derde keer dezelfde lijn met hun laatste onderzoek, waarin ze aantonen dat amyloïden zich kunnen binden met moleculen van zowel RNA als DNA.

Deze interacties zijn deels gebaseerd op elektrostatische aantrekking, aangezien sommige amyloïden – althans op sommige plaatsen – positief geladen zijn, terwijl het genetische materiaal een negatieve lading draagt, tenminste in een neutraal tot zuur milieu. Riek en zijn team merken echter ook dat de interacties ook afhangen van de volgorde van de RNA- en DNA-nucleotiden in het genetische materiaal. Dit betekent dat ze een soort voorloper kunnen zijn van de universele genetische code die alle levende wezens verenigt.

Verhoogde stabiliteit als groot voordeel

En toch:“Hoewel we verschillen zien in de manier waarop de RNA- en DNA-moleculen zich binden met de amyloïden, begrijpen we nog niet wat deze verschillen betekenen”, zegt Riek. "Ons model is waarschijnlijk nog te simpel." Daarom vindt hij een ander aspect van de resultaten bijzonder belangrijk:wanneer het genetische materiaal zich aan amyloïden hecht, worden beide moleculen stabieler. In de oudheid kan deze grotere stabiliteit een groot voordeel zijn gebleken.

Dit komt doordat biochemische moleculen destijds, in de zogenaamde oersoep, erg verdund waren. Vergelijk dit eens met de huidige biologische cellen, waarin deze moleculen dicht opeengepakt zitten. "Amyloïden hebben het bewezen potentieel om de lokale concentratie en volgorde van nucleotiden te verhogen in een verder verdund, ongeordend systeem", schrijven de onderzoekers van Riek in hun artikel gepubliceerd in Journal of the American Chemical Society .

Riek wijst erop dat hoewel concurrentie centraal staat in Darwins evolutietheorie, samenwerking ook een belangrijke evolutionaire rol heeft gespeeld. Beide klassen moleculen profiteren van de stabiliserende interactie tussen amyloïden en RNA- of DNA-moleculen, omdat langlevende moleculen zich in de loop van de tijd sterker ophopen dan onstabiele stoffen. Het kan zelfs zijn dat moleculaire samenwerking, in plaats van concurrentie, de beslissende factor was bij het ontstaan ​​van leven.

"Er was toen waarschijnlijk geen tekort aan ruimte of middelen", zegt Riek.

Meer informatie: Saroj K. Rout et al., An Analysis of Nucleotide-Amyloid Interactions Reveals Selective Binding to Codon-Sized RNA, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c06287

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door ETH Zürich