De evolutie van cellen en organismen wordt verondersteld te zijn voorafgegaan door een fase waarin informatieve moleculen zoals DNA selectief konden worden gerepliceerd. Nieuw werk toont aan dat haarspeldstructuren bijzonder effectieve DNA-replicators zijn.

In het metabolisme van alle levende organismen is er een duidelijke taakverdeling:nucleïnezuren (DNA en RNA) dragen de informatie voor de synthese van eiwitten, en eiwitten zorgen voor de structurele en uitvoerende functies die cellen nodig hebben, zoals de gecontroleerde en specifieke katalyse van chemische reacties door enzymen. Echter, in de afgelopen decennia, het is duidelijk geworden dat dit onderscheid geenszins absoluut is. In het bijzonder is RNA in staat de hierboven geschetste grens te negeren en het is bekend dat het een katalytische rol speelt in veel belangrijke processen. Bijvoorbeeld, bepaalde RNA-moleculen kunnen de replicatie van andere nucleïnezuren katalyseren, en deze veelzijdigheid zou kunnen helpen verklaren hoe het leven op aarde is ontstaan.

Nucleïnezuurmoleculen zijn opgebouwd uit subeenheden die nucleotiden worden genoemd, die verschillen in hun zogenaamde basen. De basen die in RNA worden gevonden, worden A genoemd, C, G en U (DNA gebruikt T in plaats van U). Deze basen vallen in twee complementaire paren, waarvan de leden specifiek met elkaar omgaan, A met T (of U) en G met C. Deze complementariteit verklaart de stabiliteit van de dubbele DNA-helix, en stelt enkele strengen RNA in staat om in complexe vormen te vouwen.

Men denkt dat het leven is voortgekomen uit een proces van chemische evolutie waarin nucleïnezuursequenties selectief konden worden gerepliceerd. Dus, in prebiotische systemen werden bepaalde moleculaire "soorten" die informatie droegen, gereproduceerd ten koste van anderen. In biologische systemen, dergelijke selectiviteit wordt normaal gemedieerd door zogenaamde primers - strengen van nucleïnezuur die paren (zoals hierboven beschreven) met een deel van het te repliceren molecuul, om een ​​korte dubbele helix te vormen. De primer verschaft een startpunt voor de verlenging van het dubbelstrengs gebied om een ​​nieuwe dochterstreng te vormen. Bovendien, dit proces kan in de reageerbuis worden gereconstrueerd.

De voor- en nadelen van haarspeldreplicators

Georg Urtel en Thomas Rind, die lid zijn van de onderzoeksgroep onder leiding van Dieter Braun (hoogleraar Systems Biophysics bij LMU), hebben een dergelijk systeem gebruikt om eigenschappen te identificeren die de selectieve replicatie van DNA-moleculen zouden kunnen bevorderen. Voor hun experimenten, ze kozen voor een enkelstrengs DNA-sequentie die een zogenaamde haarspeldstructuur aanneemt. In deze moleculen de basensequenties aan beide uiteinden zijn complementair aan elkaar, evenals korte stukken sequentie binnen de rest van het molecuul. Deze verdeling van complementaire sequenties zorgt ervoor dat een dergelijke streng zich vouwt tot een haarspeldachtige conformatie.

Dankzij de hierboven beschreven koppelingsregels, replicatie van een enkele DNA-streng produceert een tweede streng waarvan de sequentie verschilt van die van de eerste. Elke streng van een niet-haarspeldstructuur heeft daarom zijn eigen primer nodig voor replicatie. Maar met haarspelden, één primer is voldoende om de synthese van zowel de oorspronkelijke als de complementaire streng op gang te brengen. "Dit betekent dat haarspelden relatief eenvoudige replicators zijn, ", merkt Georg Urtel op. Het nadeel is dat de haarspeldstructuur het binden van de primer moeilijker maakt, en dit beperkt op zijn beurt hun replicatiesnelheid. Moleculaire soorten die geen haarspeldstructuren hebben, hebben dit probleem niet.

Samenwerking verslaat concurrentie

In daaropvolgende experimenten ontdekten de onderzoekers dat twee eenvoudige haarspeldsoorten konden samenwerken om een ​​veel efficiëntere replicator te creëren, die twee primers nodig heeft voor zijn amplificatie. De twee geselecteerde haarspeldsoorten hadden elk een andere primer nodig, maar hun sequenties waren gedeeltelijk identiek. De omschakeling naar coöperatieve replicatie vindt plaats wanneer de replicatie van een van de haarspeldbochten vastloopt. "Als een regel, replicatieprocessen in de natuur zijn nooit perfect, ", zegt Dieter Braun. "Zo'n voortijdige stopzetting is niet iets dat je in het systeem hoeft in te bouwen. Het gebeurt stochastisch en we maken er gebruik van in onze experimenten." De gedeeltelijk gerepliceerde haarspeld kan, echter, binden aan een molecuul van de tweede soort, en dient als een primer die verder kan worden verlengd. Bovendien, het resulterende product vormt geen haarspeld meer. Met andere woorden, het vertegenwoordigt een nieuwe moleculaire soort.

Van uitsterven gered

Dergelijke zogenaamde 'kruisingen' hebben twee primers nodig voor hun replicatie, maar kan niettemin aanzienlijk sneller worden gerepliceerd dan elk van hun haarspeldvoorlopers. Voor verdere experimenten bleek dat, bij seriële verdunning van de populatie, de haarspeld-DNA's sterven snel uit. Echter, de sequentie-informatie die ze bevatten, overleeft in de kruisingen en kan verder worden gerepliceerd.

Het omgekeerde experiment bevestigde dat informatie inderdaad behouden blijft:als kruisingen worden geleverd met slechts één primer, de corresponderende haarspeld-voorlopersoorten kunnen nog steeds worden gerepliceerd door het soort schakelproces dat hierboven is genoemd. Maar, bij afwezigheid van de tweede primer, de kruising sterft uit. "Dus, het kruisingsproces zorgt niet alleen voor de overgang van 'eenvoudige en langzame' replicators naar snellere replicators, het maakt het ook mogelijk om het systeem aan te passen aan de heersende omstandigheden, " legt Urtel uit. "Het suggereert ook hoe vroege replicators met elkaar hadden kunnen samenwerken onder prebiotische omstandigheden voorafgaand aan het ontstaan ​​van levende systemen."