De spontane samenvoeging van moleculen die ongeveer 4 miljard jaar geleden tot leven leidde op de oer-aarde, is mogelijk eindelijk in een laboratorium waargenomen.
Door de waarschijnlijke omstandigheden van onze pasgeboren planeet na te bootsen, hebben chemici RNA en aminozuren samengevoegd – de cruciale eerste stap die uiteindelijk zou leiden tot de verspreiding van levende organismen die vandaag de dag overal op aarde te vinden zijn.
Het experimentele werk zou belangrijke aanwijzingen kunnen opleveren over het ontstaan van een van de belangrijkste biologische relaties: die tussen nucleïnezuren en eiwitten.
“Het leven maakt tegenwoordig gebruik van een enorm complexe moleculaire machine, het ribosoom, om eiwitten te synthetiseren. Deze machine heeft chemische instructies nodig die zijn opgeschreven in boodschapper-RNA, dat de gensequentie van het DNA van een cel naar het ribosoom transporteert. Het ribosoom leest vervolgens, als een fabrieksassemblagelijn, dit RNA en koppelt aminozuren één voor één aan elkaar om een eiwit te creëren”, legt chemicus Matthew Powner van University College London uit.
“We hebben het eerste deel van dat complexe proces bereikt door met behulp van zeer eenvoudige chemie in water met een neutrale pH aminozuren aan RNA te koppelen. De chemie is spontaan, selectief en zou op de vroege aarde hebben kunnen plaatsvinden.”
Hoewel we weten dat het leven zich een weg moet hebben gebaand uit het oerslijm van de aarde – we zijn er tenslotte – zijn wetenschappers niet zo zeker over hoe dat precies is gebeurd. Een groeiende stroming gelooft in RNA als een zichzelf replicerend nucleïnezuur, dat dankzij zijn talent om ook mechanisch werk te verrichten, andere chemische reacties kan katalyseren. Dit staat bekend als de RNA-wereldhypothese.
Eiwitten kunnen zich niet zelf repliceren; de instructies voor hun exacte aminozuurvolgorde zijn gecodeerd in nucleïnezuursequenties, zoals RNA.
Hoewel eiwitten dus een noodzakelijke rol spelen in veel biologische processen, vormen nucleïnezuurmoleculen een cruciaal sjabloon voor hun productie. Dit betekent echter dat de twee moleculaire componenten een manier hadden moeten vinden om zich te verbinden in de vochtige, stomende omstandigheden van de vroege aarde.
“Het leven is afhankelijk van het vermogen om eiwitten te synthetiseren – het zijn de belangrijkste functionele moleculen van het leven. Inzicht in de oorsprong van eiwitsynthese is van fundamenteel belang om te begrijpen waar het leven vandaan komt”, zegt Powner.
“Onze studie is een grote stap in de richting van dit doel en laat zien hoe RNA voor het eerst de eiwitsynthese zou kunnen zijn gaan controleren.”
Er zijn veel pogingen gedaan om de natuurlijke samenvoeging van aminozuren en RNA na te bootsen. Dit proces vereist een hoogenergetische mediator, en uit eerdere studies is gebleken dat sommige zeer reactieve moleculen hiervoor niet geschikt zijn, omdat ze de neiging hebben om in water af te breken, waardoor de aminozuren met elkaar reageren in plaats van met het RNA.
Onder leiding van chemicus Jyoti Singh van University College London liet het onderzoeksteam zich in plaats daarvan inspireren door de biologie. Als mediator probeerden ze een thioester, een hoogenergetische, zeer reactieve verbinding die koolstof, zuurstof, waterstof en zwavel bevat – vier van de zes elementen die als essentieel voor het leven worden beschouwd.
Van thioesters is bekend dat ze een belangrijke bemiddelende rol spelen in sommige biologische processen, en men denkt dat ze in overvloed aanwezig waren in de ‘oersoep’. Sommige wetenschappers geloven dat hun verspreiding voorafging aan de RNA-wereld, wat bekend staat als de thioesterwereldhypothese.
In hun gesimuleerde oersoep ontdekten de onderzoekers dat thioester de nodige externe energie leverde om het aminozuur aan het RNA te binden – een behoorlijk belangrijke doorbraak die de twee hypothesen netjes verenigt.
“Onze studie verenigt twee prominente theorieën over het ontstaan van het leven: de ‘RNA-wereld’, waarin zelfreplicerend RNA als fundamenteel wordt beschouwd, en de ‘thioesterwereld’, waarin thioesters worden gezien als de energiebron voor de vroegste vormen van leven”, zegt Powner.
Voor alle duidelijkheid: we zijn nog ver verwijderd van een gedetailleerd, uitgebreid begrip van het ontstaan van het leven. Het nieuwe onderzoek toont aan dat het mogelijk is dat deze componenten samenkomen met een hoogenergetische mediator; de volgende stap is om te zien of RNA bij voorkeur bindt aan de specifieke aminozuren die het ontstaan van genetische code zouden vergemakkelijken.
“Stel je voor dat chemici op een dag eenvoudige, kleine moleculen, bestaande uit koolstof-, stikstof-, waterstof-, zuurstof- en zwavelatomen, zouden kunnen nemen en uit deze legostukjes moleculen zouden kunnen vormen die in staat zijn tot zelfreplicatie. Dit zou een monumentale stap zijn in de richting van het oplossen van de vraag naar de oorsprong van het leven“, zegt Singh.
”Onze studie brengt ons dichter bij dat doel door aan te tonen hoe twee oeroude chemische legostukjes (geactiveerde aminozuren en RNA) peptiden zouden kunnen hebben gevormd, korte ketens van aminozuren die essentieel zijn voor het leven.”
