Chemici van het Scripps Research Institute (TSRI) hebben een grote stap gezet in de richting van het beantwoorden van een van de meest fundamentele vragen van de wetenschap:zou er onder de juiste omstandigheden leven kunnen ontstaan ​​op een verre planeet?

Het antwoord is, volgens hun nieuwe werk, waarschijnlijk ja.

‘We hebben nu een pad dat min of meer loopt van de zeer eenvoudige uitgangsmaterialen die beschikbaar waren in de vroege aarde tot de complexe prebiotische moleculen die je nodig hebt voor het ontstaan ​​van leven’, zegt Ramanarayanan Krishnamurthy, een TSRI-professor en lid van het Skaggs Institute for Chemische biologie.

Decennia lang proberen wetenschappers te begrijpen hoe de eerste cel uit levenloze materie voortkwam – een concept dat vaak de ‘oorsprong van het leven’ wordt genoemd. Veel biologen geloven dat het RNA-molecuul – dat zowel informatieopslag (zoals DNA) als activiteitsverrichtende eigenschappen heeft (zoals eiwitten) – mogelijk de oorspronkelijke moleculaire voorouder is geweest die uiteindelijk heeft geleid tot het eerste levende organisme. RNA bestaat echter uit bouwstenen die nogal moeilijk verkrijgbaar zijn.

Maar in een rapport in het tijdschrift Nature Chemistry presenteert het team van Krishnamurthy nieuwe inzichten die de kijk op de manier waarop het eerste replicatormolecuul tot stand kwam, zouden kunnen veranderen.

Het laboratorium van Krishnamurthy heeft, samen met dat van TSRI-professor Matthew Disney en voormalig TSRI-postdoc en huidige professor Andrew Ellington van de Universiteit van South Carolina, het concept bestudeerd dat de genetische code op natuurlijke wijze zou kunnen zijn voortgekomen uit een zeer complexe mix van bouwstenen. Maar wat ze echt nodig hadden, was een eenvoudige, realistische uitleg van hoe die originele bouwstenen zich überhaupt hadden kunnen vormen.

"Je kunt niet over de oorsprong van het leven beginnen te praten zonder eerst na te denken over de oorsprong van de juiste bouwstenen", zegt eerste auteur en TSRI-afgestudeerde Yunwei Mao. "Gelukkig hebben we een paar decennia werk dat ons vertelt welke eenvoudige bouwstenen nodig zijn om RNA-strengen te maken."

Eén zo'n eenvoudige bouwsteen is het molecuul isocytosine, waarvan TSRI-wetenschappers in eerder onderzoek hebben aangetoond dat het spontaan kan assembleren om de essentiële bouwstenen van genetische moleculen te vormen, bekend als nucleotiden.

In nauwe samenwerking met Krishnamurthy, Disney en Ellington hebben Mao en haar collega's nu een zeer plausibele verklaring gevonden voor hoe isocytosine op de vroege aarde had kunnen ontstaan. Ze begonnen met het identificeren van de eenvoudigste omstandigheden waaronder isocytosine kan worden gevormd door eenvoudige componenten zoals waterstofcyanide in water te mengen en dit aan ultraviolet (UV) licht te onderwerpen. Door middel van een reeks experimenten konden ze aantonen dat de belangrijkste reactie op natuurlijke wijze wordt gekatalyseerd:in wezen komt de reactie op gang na de initiële blootstelling aan UV-licht en kan vervolgens relatief snel isocytosine genereren.

De implicaties van deze bevinding, zei Krishnamurthy, zijn diepgaand:‘Het betekent dat de bouwstenen die nodig zijn om een ​​genetisch systeem op gang te brengen, inderdaad kunnen ontstaan ​​onder vrij eenvoudige en realistische omstandigheden op de vroege aarde. Nu kunnen we ons een scenario voorstellen waarin de De zeer eenvoudige chemie die we zien in interstellaire wolken geeft aanleiding tot de complexiteit die we zien in de biologie op aarde."

De onderzoekers merken echter op dat er nog aanvullende stappen moeten worden uitgewerkt voordat hun theorie als voltooid kan worden beschouwd. Ze moeten bijvoorbeeld uitzoeken hoe de moleculen van isocytosine die ze hebben gegenereerd, kunnen worden omgezet in de ribonucleotiden – de bouwstenen van RNA. Bovendien willen ze het gedetailleerde moleculaire mechanisme begrijpen dat de spontane vorming van genetische informatie uit een complex mengsel van organische moleculen mogelijk maakt.

Dit werk werd ondersteund door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) subsidie ​​W911NF-13-C-0043 en de National Institutes of Health subsidie ​​R01GM078401.