De spontane vorming van nucleotiden

Binnen de wetenschappelijke discussie over het ontstaan van het leven op Aarde is een doorbraak gerealiseerd die donderdag 14 mei 2009 gepubliceerd werd in Nature (zoek op de website naar ‘Sutherland’ en ‘pyrimidine’). In dit artikel wordt voor het eerst aangetoond dat nucleotiden, de bouwstenen van DNA en RNA, spontaan kunnen onstaan in een chemische reactie die theoretisch plaats heeft kunnen vinden in de prebiotische oersoep. Tot dusver kon men nooit verklaren hoe de verschillende onderdelen van een nucleotide konden reageren om dit nucleotide te vormen.

Om het ontstaan van het leven op Aarde te verklaren stelden Urey en Miller in 1953 een oersoep samen waarmee ze aantoonden dat aminozuren, de bouwstenen van eiwitten ofwel proteinen, spontaan kunnen vormen onder de juiste omstandigheden. Lees hierover ook het interessante blog van Qabouter.

Eiwitten zijn essentieel voor alle vormen van leven en zijn zeker van essentieel belang gedurende de eerste fasen van het ontstaan van het leven, maar ze kunnen, in tegenstelling tot DNA en RNA, geen (genetische) informatie vasthouden. Voor het verklaren van het ontstaan van het leven zijn moleculen nodig die deze informatie wel kunnen vasthouden en als gevolg van replicatie deze informatie ook kunnen doorgeven aan volgende generaties moleculen of cellen. DNA is zo een molecuul, maar RNA is voorlopig de beste kandidaat omdat deze polymeer zowel genetische informatie kan vasthouden, met knip- en plakwerk zichzelf kan modificeren èn aminozuren aaneen kan koppelen tot eiwitten. In dit laatste geval noemt men het RNA ook wel ribozyme. Lees ook het voorgaande blog Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld.

De wetenschap veronderstelt dat het leven ooit ontstaan is uit het RNA. Dit wordt de ‘RNA-wereld hypothese’ genoemd. Deze hypothese wordt breed ondersteund (zie ook voorgaand blog De oorsprong van het leven: lezing), maar tot nu toe was het niet mogelijk aan te tonen hoe dit RNA spontaan kon ontstaan.

RNA

RNA bestaat, net als DNA, uit een aaneenschakeling van vele nucleotiden waarvan er vier verschillende zijn die door hun volgorde de genetische code bepalen. Elke nucleotide is opgebouwd uit een base (purine of pyrimidine), een ribose (suiker) en een fosfaatgroep. Het was tot nu toe niet mogelijk een chemische reactie te creëren waarin het suiker en de base aan elkaar gekoppeld konden worden. Er zou een explosie kunnen ontstaan. Bovendien was het ook niet duidelijk hoe deze onderdelen konden ontstaan in een oersoep. De onderzoekers gebruikten in dit nieuwe onderzoek als uitgangspunt een molecuul (arabinose amino-oxazoline) waaruit zowel het suiker als de base konden ontstaan en daarbij meteen aan elkaar gekoppeld waren. Het fosfaat, dat pas in tweede instantie onderdeel wordt van de nucleotide, werd vanaf het begin aan de chemische oplossing toegevoegd en bleek een belangrijke rol te hebben voor de regeling van het pH en in de catalyse van de verschillende reacties.

De basisingredienten voor de chemische reactie waren cyaanamide, cyanoacetylene (komt voor in interstellaire moleculenwolken en was een van de stoffen die gevormd werden in de oersoep van Urey and Miller), glyceraldehyde en anorganisch fosfaat. De ribonucleotiden vormden zich na indamping en bestraling met UV-licht; condities die uitstekend passen bij de toestand van de prebiotische aarde.

Tot nu toe is het gelukt alleen de ribonucleotiden van pyrimidines te creëren (Cytosine, Thymine en Uracil). De onderzoekers zullen nu proberen ook de ribonucleotiden van purines (Adenine en Guanine) te verkrijgen.

De ontdekking is heel belangrijk en er is veel over gepubliceerd in de kranten en vakbladen. Hier volgen wat links naar de verschillende artikelen.

Nature (zoek op de website naar ‘Sutherland’ en ‘pyrimidine’)
Kennislink (zoek op de website naar ‘RNA kan spontaan ontstaan’)
Noorderlicht (zoek op de website naar ‘Hoe het leven op aarde ontstond’)
NRC (zoek op de website naar ‘John Sutherland’ en ‘RNA’)

Vanwege copyright en publiciteit op deze sites kunnen de betreffende artikelen niet direct gelinkt worden.