Ontdekking ondersteunt theorie dat leven op aarde ontstaan is uit een mengeling van DNA en RNA
Scheikundigen aan het Scripps Research onderzoeksinstituut hebben een chemische reactie ontdekt die een verrassende nieuwe theorie ondersteunt over hoe het leven op aarde ontstaan is, namelijk uit een mengeling van RNA en DNA. Ze konden aantonen dat een eenvoudige verbinding, diamidofosfaat (DAP), kleine bouwsteentjes van DNA chemisch aan elkaar kan hebben gekoppeld tot strengen van oer-DNA. Belangrijk daarbij is dat het niet onwaarschijnlijk is dat DAP op de aarde aanwezig was voor er leven ontstond.
De ontdekking is de laatste in een reeks die de laatste jaren gedaan zijn. Ze wijst op de mogelijkheid dat DNA en zijn dichte chemische 'neef' RNA samen ontstaan zijn als producten van gelijkaardige chemische reacties, en dat de eerste zichzelf reproducerende moleculen - de eerste levensvormen op aarde - mengelingen waren van de twee.
De ontdekking kan leiden tot nieuwe praktische toepassingen in de scheikunde en de biologie, maar het belangrijkste aspect ervan is dat ze gevolgen heeft voor de eeuwenoude vraag hoe het leven voor het eerst op aarde ontstaan is. Ze effent meer bepaald de weg voor uitgebreidere studies naar hoe zich vermenigvuldigende mengelingen van RNA en DNA zouden kunnen ontstaan zijn en zich verspreid kunnen hebben over de oer-aarde. En hoe die uiteindelijk tot de meer volwassen biologie van moderne organismen hebben geleid.
"Deze ontdekking is een belangrijke stap naar de ontwikkeling van een gedetailleerd chemisch model voor hoe de eerste levensvormen ontstaan zijn op aarde", zei dokter Ramanarayanan Krishnamurthy, hoogleraar scheikunde aan Scripps Research en de senior auteur van de nieuwe studie over de ontdekking.
De ontdekking duwt het onderzoeksveld van de scheikunde van de oorsprong van het leven ook weg van de hypothese die de laatste tientallen jaren het veld overheerst heeft: de 'RNA-wereld' hypothese die stelt dat de eerste zichzelf vermenigvuldigende organismen gebaseerd waren op RNA en dat DNA later ontstaan is als product van RNA-levensvormen.
Is RNA te kleverig?
Krishnamurthy en anderen hadden al langer twijfels over de RNA-wereld hypothese, voor een deel omdat RNA-moleculen eenvoudigweg te kleverig kunnen geweest zijn om dienst te doen als de eerste zichzelf replicerende entiteiten.
Een streng RNA kan andere individuele bouwstenen van RNA aantrekken, die er aan kleven om een soort van spiegelbeeld-streng te vormen - waarbij elke bouwsteen in de nieuwe streng zich bindt aan zijn complementaire bouwsteen op de originele template-streng.
Als de nieuwe streng kan loskomen van de template-streng en door hetzelfde proces van het aantrekken van bouwstenen zelf een template wordt voor andere nieuwe strengen, zullen die gelijk zijn aan de originele, eerste template-streng. Daarmee zou dan de mijlpaal van het zichzelf repliceren bereikt zijn die de basis vormt van het leven.
Maar hoewel RNA-strengen misschien wel goed zijn in het maken van complementaire strengen door als template te dienen, zijn ze niet zo goed in het loskomen van die strengen. Moderne organismen maken enzymes aan die verbonden strengen van RNA of DNA kunnen dwingen om uit elkaar te gaan en zo replicatie mogelijk te maken, maar het is niet duidelijk hoe dat in zijn werk zou gegaan zijn in een wereld waarin enzymes nog niet bestonden.
Een chimerische alternatieve oplossing
Krishnamurthy en zijn collega's hebben in recente studies aangetoond dat 'chimerische' moleculaire strengen die voor een deel uit DNA en voor een deel uit RNA bestaan dit probleem mogelijk hebben kunnen omzeilen, omdat ze in staat zijn complementaire strengen te vormen op een minder kleverige manier, wat de gemengde strengen toelaat redelijk gemakkelijk uit elkaar te gaan.
Chimerisch betekent in essentie monsterachtig en het verwijst naar de Chimaera, een mytisch driekoppig fabeldier dat bestond uit delen van een leeuw, een geit en een slang. In de biologie wordt het gebruikt voor planten of dieren die genetisch materiaal hebben van verschillende rassen of soorten en hier slaat het dus op de mengeling van RNA en DNA in een enkele streng.
De scheikundigen van Scripps Research hebben de laatste jaren in veel geciteerde studies ook aangetoond dat de eenvoudige ribonucleoside en deoxynucleoside bouwstenen - van respectievelijk RNA en DNA - ontstaan kunnen zijn onder zeer gelijkaardige chemische omstandigheden op de jonge aarde.
Daarnaast konden ze in 2017 melden dat de organische verbinding DAP - diamidofosfaat - de hoofdrol kan gespeeld hebben in het proces van het veranderen van de ribonucleosiden en het elkaar rijgen van de ribonucleosiden tot de eerste RNA-strengen.
De nieuwe studie die de scheikundigen nu gepubliceerd hebben, toont aan dat DAP onder gelijkaardige omstandigheden ook hetzelfde zou gedaan kunnen hebben voor DNA, maar dan met deoxynucleosiden.
"We ontdekten tot onze verrassing dat als we DAP gebruikten om te reageren met deoxynucleosiden, dat beter werkt als de deoxynucleosiden niet allemaal hetzelfde zijn maar in de plaats daarvan mengelingen van de verschillende DNA-'letters', zoals A en T of C en G, zoals bij echt DNA", zei eerste auteur van de studie Eddy Jiménez, een postdoctoraal onderzoeker in het labo van Krishnamurthy.
A, T, C en G zijn de nucleobasen in DNA, adenine, thymine, cytosine en guanine. A en T vormen steeds met elkaar een basenpaar, C en G ook.
"Nu we beter begrijpen hoe een primordiale scheikunde de eerste RNA's en DNA's gemaakt zou kunnen hebben, kunnen we beginnen DAP te gebruiken op mengelingen van de ribonucleoside en deoxynucleoside bouwstenen om te zien welke chimerische moleculen er gevormd worden en of die zich kunnen vermenigvuldigen en evolueren", zei Krishnamurthy.
Hij merkte op dat het onderzoek ook ruime praktische toepassingen kan hebben. De kunstmatige synthese van DNA en RNA - bijvoorbeeld in de 'PCR' techniek die aan de basis ligt van de COVID-19-testen - is een grote wereldwijde industrie maar ze is afhankelijk van enzymen die redelijk broos zijn en dus veel beperkingen hebben. Stabiele chemische methoden zonder enzymen om DNA en RNA te produceren kunnen in veel omstandigheden aantrekkelijker blijken, zei Krishnamurthy.
De studie van Eddy Jiménez, Clémentine Gibard en Ramanarayanan Krishnamurthy van Scripps Research is gepubliceerd in Angewandte Chemie. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Scripps Research.