Hoe zouden prebiotische informatiedragende DNA-sequenties kunnen overleven in het licht van de concurrentie van een enorme overmaat aan kortere moleculen met willekeurige sequenties? LMU-wetenschappers laten nu zien dat een relatief eenvoudig mechanisme de slag had kunnen slaan.

Het leven is een kwestie van energie en informatie - veel informatie - meer specifiek, de erfelijke informatie die is opgeslagen in het DNA dat in alle levende cellen aanwezig is. De coderingscapaciteit van het nucleaire DNA dat in elke zoogdiercel wordt aangetroffen, is dus gelijk aan zo'n 700 Mbytes. Deze informatie is gedurende miljarden jaren van evolutie verzameld en met succes overgedragen. Voor onderzoekers zoals Dieter Braun (hoogleraar Systems Biophysics bij LMU) die geïnteresseerd zijn om te begrijpen hoe het leven op aarde is ontstaan, een van de vele vragen die dit oproept, is hoe de allereerste informatiemoleculen die onder prebiotische omstandigheden werden gevormd, hun vele rivalen hadden kunnen verslaan met een veel kleinere informatie-inhoud.

In samenwerking met zijn collega Professor Shoichi Toyabe van de Tohoku University in Sendai (Japan), die al vele werkbezoeken aan zijn laboratorium heeft afgelegd, Braun rapporteert nu een reeks experimenten en simulaties die suggereren dat een vrij eenvoudig mechanisme in principe de paradox kan oplossen, en had primordiale informatieve sequenties mogelijk gemaakt om te overleven. Dat houdt op zijn beurt in dat alle nuttige genetische informatie die toevallig in dergelijke sequenties was gecodeerd, niet hoeft te zijn verdwenen (zoals de talloze willekeurige sequenties) terug in de chaos waaruit ze zijn ontstaan, of geleidelijk gefragmenteerd in kortere en kortere moleculen (waarvan de meeste modellen van de oersoep aangeven dat ze het meest waarschijnlijk werden gerepliceerd) en in wezen verdund.

Het door Braun en Toyabe voorgestelde sjabloonligatiemechanisme is een bekend moleculair genetisch proces in moderne cellen. Wanneer twee enkelstrengs DNA-moleculen binden aan aangrenzende gebieden van een langere streng (de sjabloon), de twee kunnen gemakkelijk met elkaar worden verbonden (geligeerd) door hetzelfde soort mechanisme dat ze voor het eerst heeft veroorzaakt. "Zolang dit eenvoudige mechanisme beschikbaar is onder de heersende reactieomstandigheden, compatibele DNA-segmenten kunnen worden gekozen uit een willekeurig mengsel van sequenties en in een positie worden gebracht waardoor ze aan elkaar kunnen worden gekoppeld om een ​​langere streng te creëren, ' legt Braun uit.

Op deze manier, afhankelijk van de relatieve concentraties van de complementaire sequenties, het toneel is klaar voor intermoleculaire samenwerking. Hogere temperaturen en steile temperatuurgradiënten, zoals die waarvan wordt gedacht dat ze de smalle, met water gevulde poriën in vulkanisch gesteente waarin oer-DNA-synthese kan hebben plaatsgevonden - bevorderen het aaneenrijgen van kortere moleculen tot langere sequenties. Dit zou een snellere selectie mogelijk maken, verlenging en daaropvolgende replicatie van langere moleculen. Met andere woorden, sjabloonligatie kan stabiele meerderheden creëren door de assemblage en replicatie van sequenties te bevorderen die complex genoeg zijn om de eerste genetische informatie te coderen. Voor de auteurs van het nieuwe artikel, "deze coöperatieve ligatienetwerken zijn een voorbeeld van het doorbreken van symmetrie, een bekend mechanisme van structuurvorming in de natuurkunde, ' zegt Braun.

In de jaren zeventig, Manfred Eigen (Nobelprijs voor Scheikunde 1967) en Peter Schuster ontwikkelden hun 'hypercyclus'-model als een theoretisch haalbare route van de vroegste prebiotische DNA-sequenties naar de stabiele overdracht van genetische informatie. Echter, ze misten een experimenteel hanteerbaar systeem waarmee ze prebiotische omstandigheden op een min of meer realistische manier konden nabootsen. "Onze experimentele bijdragen tonen aan, dat het mogelijk is om met de eenvoudigste methoden de vereiste stabiele meerderheid van informatiereeksen in de oersoep te verkrijgen, ’ besluit Braun.