Hoe evolueerden de eerste RNA-moleculen op de prehistorische aarde?
Voordat DNA-bevattende organismen de aarde koloniseerden, was er al een grote verscheidenheid aan eenvoudige RNA-moleculen op de prehistorische aarde. Onderzoekers hebben nu in het laboratorium de omstandigheden nagebootst waaronder RNA-moleculen het vermogen krijgen om elkaar te versterken. Deze omstandigheden markeren het begin van de evolutie naar complexere organismen. Volgens dit onderzoek begon de evolutie op moleculair niveau lang voordat cellen bestonden, waarbij individuele RNA-enzymen op betrouwbare wijze andere RNA-moleculen transcribeerden. Met deze kennis is het nu mogelijk om de vroegere ‘RNA-wereld’ in het laboratorium na te bootsen.
Het leven op aarde is miljarden jaren geleden ontstaan uit slechts een paar kleine bouwstenen van het leven. Lang voordat cellen bestonden, bevatten ze al verschillende RNA-moleculen. Volgens de algemene wetenschappelijke theorie 'de RNA-wereld' domineerden deze organismen gedurende een tijdperk in de geschiedenis van de aarde het leven op aarde. Sommige RNA-moleculen namen de taak van het daaropvolgende DNA over door genetische informatie op te slaan en deze van generatie op generatie over te dragen. Andere RNA-moleculen, zoals later ontwikkelde eiwitten, fungeren als enzymen die biochemische reacties katalyseren en versnellen. Deze RNA-enzymen worden ook wel ribozymen genoemd en bestaan tegenwoordig nog steeds in mindere mate. Maar welke rol speelden ze destijds in de ‘RNA-wereld’?
Evolutie van RNA-moleculen
Een team onder leiding van Nikolaos Papastavrou van het Salk Institute in Californië heeft dit nader onderzocht. “We traceren het begin van de evolutie”, zegt hoofdauteur Gerald Joyce, eveneens van het Salk Institute. “We vroegen ons af wanneer het leven het vermogen kreeg om zichzelf te verbeteren”, voegt Papastavrou toe. Concreet analyseerden de onderzoekers de omstandigheden die nodig zijn om individuele RNA-moleculen verder te laten evolueren, zodat daaruit optimale bouwstenen van het leven konden ontstaan. Om dit te doen ontwikkelden onderzoekers een RNA-enzym dat tot taak heeft de replicatie van andere RNA-moleculen te katalyseren: het zogenaamde RNA-polymerase. Dit ribozym was aanvankelijk heel eenvoudig, kon alleen korte sequenties RNA kopiëren en maakte veel fouten. Dienovereenkomstig hebben Papastavrou en zijn collega's het RNA-enzym geleidelijk aangepast met behulp van gerichte evolutie. Tientallen mutagenese- en selectierondes hebben geleid tot de opkomst van enzymvarianten die hun werk beter, beter en met minder fouten kunnen doen.
Hieruit bleek dat het RNA-enzym vanaf een bepaald punt zodanig was verbeterd dat het ook op betrouwbare wijze langere RNA-moleculen kon transcriberen. Er was echter nog steeds een foutenpercentage van ongeveer tien procent, waardoor bruikbare variaties en mutaties in het gerepliceerde organisme konden voorkomen. De sequentie van het getranscribeerde RNA veranderde gedurende verschillende transcriptierondes, zodat het tweede RNA-molecuul uiteindelijk zijn werk beter kon doen, rapporteerden de onderzoekers. Als onderzoekers echter native, niet-geoptimaliseerde en onbetrouwbare RNA-polymerase zouden gebruiken, zou de RNA-sequentie die het kopieerde na verloop van tijd zijn functie verliezen omdat zich te veel mutaties ophoopten.
Co-evolutie heeft de basis gelegd voor de hedendaagse organismen
Over het geheel genomen suggereert de studie dat er al een ‘RNA-wereld’ bestond op de prehistorische aarde, waar de evolutie van RNA-enzymen en andere RNA-moleculen parallel verliep. Zonder RNA-polymerasen met hoge betrouwbaarheid en lage fouttolerantie zouden er geen geavanceerdere RNA-moleculen zijn ontstaan, en zonder de evolutie van RNA zouden er geen hogere organismen zijn geweest die zijn samengesteld uit complexere moleculen en cellen, inclusief mensen. “Door deze nieuwe mogelijkheden van RNA te onthullen, onthullen we de potentiële oorsprong van het leven zelf en laten we zien hoe eenvoudige moleculen de weg kunnen hebben vrijgemaakt voor de complexiteit en diversiteit van het leven dat we vandaag de dag zien”, legt Joyce uit.
Op basis van de resultaten hopen Papastavrou en zijn collega's dat oude, op RNA gebaseerde wezens nu in het laboratorium kunnen worden gereconstrueerd. Dit zou dan meer inzicht kunnen verschaffen in het begin van het leven op aarde of zelfs op andere planeten. Deze vervolgstudies zouden ook de omgevingsomstandigheden op de prehistorische aarde kunnen ophelderen die de ontwikkeling van de ‘RNA-wereld’ hadden kunnen aanwakkeren.
Bron: Nikolaos Papastavrou (Salk Institute) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), doi: 10.1073/pnas.2321592121
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”