DNA en vulkanische rotsen

Al sinds de jaren zestig proberen onderzoekers Darwiniaanse evolutie te simuleren met replicerende DNA-strengen. Het is echter in veel experimenten gebleken dat replicatie van DNA in vitro voor een probleem zorgt. Bij deze kunstmatige replicatie blijken de fragmenten van DNA steeds korter te worden naarmate de replicatiecyclussen elkaar opvolgen. Kortere fragmenten repliceren namelijk sneller dan langere en zullen daardoor vlugger in aantal toenemen, waardoor de langere DNA-strengen uiteindelijk verminderen of ‘uitsterven’. Dit wordt wel het dilemma van Spiegelman genoemd, naar een pionier op het gebied van dit soort onderzoeken.

Nu is recent het nieuws verschenen dat dit dilemma vermeden kan worden. Er is door een groep onderzoekers van het Max Planck Instituut en Ludwig Maximilians Universiteit in Duitsland in eerste instantie aangetoond dat het mogelijk is de langere filamenten van kortere te scheiden. Door gebruik van capillaire buisjes, waardoor een vloeistof met DNA strengen stroomt en waarin een temperatuurgradiënt bestaat, laten ze zien dat de langere DNA strengen als gevolg van convectie en thermodiffusie aan de basis van dit buisje accumuleren.

Vervolgens werd er een experiment opgezet met Polymerase Chain Reaction (PCR). Dit enzym wordt doorgaans in laboratoria gebruikt om kleine hoeveelheden DNA te amplificeren met cycli van temperatuurwisselingen. Er werden DNA- strengen van verschillende lengte plus polymerase en primers in bufferoplossing door het buisje heen gestuurd. Er vindt zodoende replicatie van de verschillende DNA strengen plaats. Ook in dit geval accumuleerde de langere DNA-strengen. Het langere DNA wordt als het ware gevangen in het buisje, de kortere filamenten stromen met de vloeistof mee het buisje uit. Op de figuur kan gezien worden hoe de opgevangen fracties van de inhoud van het buisje kortere en langere DNA-strengen bevatten. Dit wordt aangetoond door middel van elektroforese van de verschillende fracties.

Een scala van dubbelstrengs DNA wordt geïnjecteerd in het capillaire buisje met lengtes variërend tussen 20 en 200 bp met stappen van 20. Het doorspoelen met buffer op de aangegeven snelheid (Vs) spoelt de lengtes tot en met 80 bp weg terwijl de langere strengen gevangen blijven zoals het resultaat op elektroforese rechts laat zien.

 

Deze resultaten zijn van bijzondere betekenis, niet alleen voor het onderzoek over het mogelijke ontstaan van DNA zelf, maar ook voor het onderzoek naar de oorsprong van leven in het algemeen. Er wordt in de publicatie gerefereerd aan vulkanisch gesteente op de zeebodem waarin een temperatuurgradiënt zou bestaan. Daarin kunnen kleine barsten of poriën zitten waarin zich macromoleculen als DNA kunnen ophopen en waarbij met replicatie van en mutaties in dit DNA er in principe Darwiniaanse evolutie mogelijk is.

Dit laatste zal altijd speculatief blijven, maar langzaamaan hopen de experimenten op waaruit blijkt dat dergelijke scenario’s mogelijk geweest zijn. Nu is dit experiment uitgevoerd met dubbelstrengs DNA. Doorgaans gaat men er echter van uit dat de eerste macromoleculen uit enkelstrengs RNA bestonden. Het is daarom niet duidelijk hoe dit experiment in deze hypothese past.

Nu hebben Nick Lane en Bill Martin veel geschreven over de mogelijke oorsprong van leven in de poriën van de schoorsteenwanden in hydrothermale bronnen. Het is enigszins opmerkelijk dat deze studie helemaal niet refereert aan deze wetenschappers.

 

h/t Rob van der Vlugt

Uit: Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S. & Braun, D. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry 0, (2015). (Free access in ReadCube)