Een ‘groot’ experiment laat zien hoe het leven op aarde is ontstaan

Is het leven op aarde ontstaan ​​uit kopieën van RNA zelf? Een onderzoeksteam volgt dit scenario in het laboratorium.

Eén veelbesproken theorie suggereert dat de oersoep pas ongeveer 4 miljard jaar geleden het potentieel voor leven bevatte, lang voordat dinosaurussen of zelfs bacteriën verschenen. Toen zette een molecuul genaamd RNA een dramatische stap in de toekomst: het maakte een kopie van zichzelf, vervolgens maakte de kopie nog een kopie, en gedurende miljoenen jaren bracht RNA DNA en eiwitten voort, die samen een cel vormden, de kleinste eenheid. van een leven dat op zichzelf kan overleven.

Nu hebben wetenschappers van het Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Californië, een klein maar essentieel deel van het verhaal in praktijk gebracht, waarmee ze een belangrijke stap zetten in de richting van het bewijzen van de RNA-wereldtheorie. In reageerbuizen ontwikkelden ze een RNA-molecuul dat exacte kopieën kan maken van een ander type RNA.

Het werk dat In het tijdschrift Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen gepubliceerd Het brengt hen dichter bij het grote doel: het kweken van een RNA-molecuul dat exacte kopieën van zichzelf maakt. “Dan zou hij nog leven”, zegt Gerald Joyce, president van Salk en een van de auteurs van het nieuwe werk. “Dit is hoe het leven zou kunnen ontstaan ​​in het laboratorium of waar dan ook in het universum.”

Het team heeft nog lang niet bewezen dat het leven op aarde daadwerkelijk op deze manier is ontstaan, maar het scenario dat ze hebben getest, bootst waarschijnlijk een van de eerste begindagen van de evolutie na, een concept dat meer dan 150 jaar geleden door de Engelse natuuronderzoeker Charles Darwin werd voorgesteld en jaren geleden werd beschreven. “Dit is een startpunt om te begrijpen hoe het leven is geëvolueerd”, zegt Nikolaos Papastavrou, hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan de Salk Universiteit.

Geen vervaagde kopieën meer

Om dit punt te bereiken hebben wetenschappers misschien wel het grootste obstakel voor de plausibiliteit van de RNA-wereldtheorie overwonnen. Tot nu toe is geen enkel RNA-molecuul in het laboratorium in staat kopieën van ander RNA te maken die nauwkeurig en efficiënt genoeg zijn.

Het RNA-molecuul moet kopieën maken die zeer dicht bij het origineel liggen om hetzelfde delicate evenwicht te bereiken dat de darwinistische evolutie in de natuur regeert. Als de transcripties te veel veranderen, gaan de mogelijkheden van het RNA achteruit en gaat het snel bergafwaarts. Stel je voor dat een defecte camera een wazige of vervaagde versie van het beeld produceert. Als u de vervaagde kopie in de machine plaatst, wordt er een nieuwe, nog slechtere kopie gemaakt.

“Als het foutenpercentage erg hoog is, kan dat wel [genetische] “De informatie is niet langer beschikbaar”, zei Joyce. Fouten gebeuren te snel voor de darwinistische selectie om winnaars te selecteren die het best zijn toegerust om te overleven, en “ronde na ronde van de evolutie ziet populaties uiteenvallen in niemandsland.”

Zonder ruimte voor fouten kan RNA zich niet aanpassen

Zelfs als de transcriptie heel goed moet zijn, kan deze niet altijd letterlijk correct zijn. Zonder een marge voor fouten zou RNA zich niet kunnen aanpassen aan een veranderende omgeving, zoals organismen in het wild wel moeten. Stel je bijvoorbeeld een haarloze sfinxkat voor die probeert te overleven terwijl de temperatuur daalt en de wereld een nieuwe ijstijd tegemoet gaat. In dit onwaarschijnlijke scenario zal de kat zijn haarloze karakter zo snel mogelijk moeten veranderen.

In het nieuwe werk creëerden Salk-wetenschappers een RNA dat kopieën maakt van zogenaamd hamerhaai-RNA. In plaats van andere RNA-moleculen te kopiëren, snijdt hamerhaai-RNA ze in stukken. Toen RNA kopieën van de hamerhaai maakte, kon elke nieuwe generatie hem nog steeds uit elkaar scheuren; Elke generatie was ook gemakkelijker te kopiëren.

John Chabot, hoogleraar farmaceutische wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Irvine, die niet betrokken was bij het onderzoek, beschreef de overschrijding van die drempel door het Salk-team als ‘enorm’ en voegde eraan toe: ‘Eerst vond ik het een beetje verbazingwekkend. ” Poëzie. …Hij is zo schattig.

“Een grote stap voorwaarts voor de RNA-wereldtheorie.”

Om aan te tonen dat hun RNA beter kon kopiëren, testte het Salk-team de kopie van de 71e generatie met een van hun verre voorouders. De nieuwste generatie heeft hun voorgangers overtroffen als het gaat om het maken van nauwkeurige kopieën. “Over het geheel genomen denk ik dat dit een grote stap voorwaarts is voor de theorie van de RNA-wereld”, zegt Claudia Bonvieux, een junior groepsleider aan de Universiteit van Straatsburg in Frankrijk, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Bonfieu, die al tien jaar de oorsprong van het leven bestudeert, benadrukte dat “het veld een beetje breder is geworden” door zich een begin voor te stellen waarin niet alleen RNA aanwezig was, maar ook andere bouwstenen van het leven. Andere bouwstenen kunnen lipiden zijn, die deel uitmaken van celmembranen, aminozuren en organische verbindingen die in eiwitten voorkomen.

In dit alternatieve scenario, zegt Bonfieu, bevinden de verschillende bouwstenen zich in kamers in een soort primitieve versie van een cel. In een e-mailreactie zei Joyce: “Ik ben het met Claudia eens dat het binnen is [Ur-]Misschien was er meer aan de hand dan alleen RNA. Op RNA gebaseerde evolutie kan zijn begonnen in lipidefracties, op minerale oppervlakken of in associatie met andere moleculen.

Het centrale punt, zegt Joyce, is dat ‘op een gegeven moment de darwinistische evolutie begon’, en dat ribonucleïnezuur (RNA) vroeg in de geschiedenis van het leven de cruciale taken vervulde van het opslaan van genetische informatie en het versnellen van de chemische reacties die nodig zijn om kopieën te maken van genetische informatie. genen. Deze informatie.

Hoe je de ontwikkeling kunt beheersen

Michael Kay, hoogleraar biochemie aan de Universiteit van Utah, beschreef het nieuwe werk als een “zeer opwindende vooruitgang” die “belangrijke aanwijzingen” biedt voor de RNA-wereldtheorie. [liefert]Wat aantoont dat het plausibel en plausibel is.’ Hij voegde eraan toe dat de bij Salk ontwikkelde RNA-transcriptase ‘een waardevol hulpmiddel zal zijn voor mensen die gerichte evolutie-experimenten willen uitvoeren.’

Gerichte evolutie, ook wel reageerbuisevolutie genoemd, is een laboratoriumprocedure waarmee wetenschappers de evolutie kunnen nabootsen door moleculen van generatie op generatie door te geven, zodat de moleculen verbeteringen krijgen die hen helpen te overleven.

Hoewel de experimenten in het nieuwe werk twee jaar duurden, kostte het Joyce en zijn collega's bijna tien jaar om de weg vrij te maken en geduldig generatie na generatie RNA-moleculen te laten groeien. Als wetenschappers erin slagen RNA te creëren dat zichzelf kan kopiëren, zou de evolutie grotendeels op zichzelf kunnen gebeuren.

“Het enige wat we hoeven te doen is ze continu de vier bouwstenen te geven”, zegt Joyce. Net als DNA bestaat RNA uit vier chemische basen, waarvan er drie homoloog zijn: adenine, cytosine en guanine. De vierde bouwsteen van RNA is de uracilbase, terwijl de vierde bouwsteen van DNA thymine is. De laboratoriumversie van de evolutie zou het voor RNA-moleculen mogelijk maken zich aan te passen als wetenschappers van temperatuur of omgeving veranderen.

“Het leukste is het introduceren van nieuwe chemicaliën die verder gaan dan de vier basen in RNA en kijken wat de evolutie ermee kan doen”, zegt Joyce. ‘Als de evolutie op aarde eenmaal begint, kijk dan eens naar de verbazingwekkende dingen die ze hebben uitgevonden’, zei hij.

Momenteel testen wij machinevertalingen. Dit artikel is automatisch vertaald van Engels naar Duits.

Dit artikel werd voor het eerst in het Engels gepubliceerd op 9 maart 2024 op “washingtonpost.com” werd gepubliceerd als onderdeel van de samenwerking en is nu ook in vertaling beschikbaar voor lezers van de IPPEN.MEDIA-portals.