Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: nucleosiden

De proto-RNA wereld

De hypothesen over de oorsprong van leven lopen nog steeds uiteen. Ook de omstandigheden waaronder het leven zich ontwikkeld zou hebben kent vele versies. De bekendste zijn de primordiale soep en de alkaline hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. Deze laatste heeft tegenwoordig een grote voorkeur, onder andere omdat de hete bronnen schoorstenen vormen van poreus materiaal waarin de eerste cellen gevormd en genesteld zouden kunnen zijn geweest. Bovendien bestaat daar een verschil in pH tussen de binnen- en buitenwand van de schoorsteen, waardoor er een stroom aan protonen beschikbaar was als energiebron voor dit eerste leven.

De protocellen moeten ook DNA of RNA opgebouwd hebben. Men gaat er van uit dat er eerst RNA ontstond en spreekt dan van de RNA-wereld. RNA is niet alleen een eenvoudiger molecuul dan DNA, het heeft ook de mogelijkheid tot auto-replicatie via de ribozymen. Patrick Forterre lanceerde de hypothese dat retrovirussen vervolgens dit inmiddels cellulaire RNA omzetten in DNA, dat veel stabieler is en als informatieopslag dient.

2,4,6-Triaminopyrimidine

2,4,6-Triaminopyrimidine

Maar hoe werd het eerste RNA gevormd. Tot nu toe hielden veel onderzoekers zich bezig met hoe de verschillende

cyaanzuur

cyanuurzuur

‘onderdelen’ zich kunnen vormen en hoe daaruit het RNA kan ontstaan. Hoe komen het ribose en de base tot een nucleoside en met fosfaat tot een nucleotide? Dit onderzoek is al vele decennia bezig, maar werpt niet veel vruchten af. Nicholas Hud zoekt momenteel naar een heel andere oorsprong. Hij heeft bepaalde moleculen bij elkaar geplaatst en zag dat deze ook polymeren konden vormen. Deze reactie verloopt geheel spontaan. Hij liet zien dat een licht gewijzigde vorm triaminopyrimidine (TAP) en cyanuurzuur (CA) vanzelf assembleren en daarmee op de klassieke basenparen lijken. Ze vormen dan hexameren die zich opstapelen en lange polymeren vormen. Ze toonden ook aan dat TAP heel eenvoudig een binding aangaat met ribose, en zodoende spontaan nucleosiden vormt. Zodra daaraan CA toegevoegd werd ontstonden er lange polymeren, de lengte van genen (meerdere duizenden basenparen).

TARC CA

Structuur van TARC (een licht veranderde vorm van TAP) en CA met R (ribose). Deze opeengestapelde hexameren of rosetten vormen lange polymeren van ongeveer 100 nm (0,1 micrometer; dat is erg lang).

Deze studie laat zien dat het in principe relatief eenvoudig kan zijn een voorloper van RNA te creëren. Of de evenementen zich werkelijk zo en met deze ingrediënten hebben voorgedaan blijft ook voor de auteurs de vraag. Het is echter van belang op te merken dat er nu een verschuiving is ontstaan in het hele concept van de RNA-world. De vraag is nu niet meer hoe de verschillende onderdelen (ribose, fosfaat en base) een nucleotide konden vormen en vervolgens een RNA-streng, maar hoe een voorloper van een auto-replicerend polymeer vorm kon geven aan een polymeer van RNA. Dit betekent een heel andere manier van denken en experimenteren en Nicholas Hud heeft daarmee een verandering in het concept van de RNA-wereld gecreëerd. In zijn concept lijkt er sprake te zijn van een ware evolutie van polymeren, met als eindpunt RNA en niet een recht-toe-recht-aan chemische reactie van de bouwstenen van een nucleotide en de polymerisatie daarvan tot RNA.

protoRNA-evolution_web

De proto – RNA theorie. Let op de veranderingen die stapsgewijs plaatsvinden in respectievelijk de ribose, de base en het fosfaat. Door Nicholas Hud. (Klik voor een grotere weergave op het plaatje)

Het ging wellicht om een primordiale melange aan moleculen, waar de meest stabielste en efficiëntste replicatoren de boventoon gingen voeren. Als de polymeren van Hud inderdaad zo eenvoudig tot stand komen, kunnen deze deel uitgemaakt hebben van een verscheidenheid aan polymeren, waaruit de ‘beste’ overbleven. Er zijn momenteel veel hoeken van waaruit het ontstaan van de eerste replicatoren bekeken wordt. Zo is er bijvoorbeeld het werk van Jeremy England dat berekent hoe alle replicatoren (al het leven) energie vrijgeven gedurende de replicatie en daarmee aan de Tweede wet van de thermodynamica gehoorzamen, of dat van Addy Pross (zie ook blog van Gert Korthof), die spreekt van dynamic kinetic stability (DKS) in contrast met de Tweede wet van de thermodynamica. Recente ontwikkelingen zijn er ook met in silico experimenten, waarbij strings binnen een binair polymeer model na verschillende replicatie-cyclussen voortdurend dezelfde combinaties opleveren, alsof er een interne selectie plaatsvindt. Al dit onderzoek staat in de kinderschoenen, maar het belooft heel wat en er zullen nog meerdere blogs op volgen.

Uit: Chemists Seek Possible Precursor to RNA by Emily Singer in Quantum Magazine

C. Chen, B. J. Cafferty, I. Mamajanov, I. Gállego , J. R. Krishnamurthy, and N. V. Hud. Spontaneous Prebiotic Formation of a β-Ribofuranoside That Self-Assembles with a Complementary Heterocycle. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136 (15), pp 5640–5646 DOI: 10.1021/ja410124v

Met dank aan Harry Pinxteren, Gert Korthof en Rob van der Vlugt voor de discussies, boeken en artikelen

 

De spontane vorming van genetisch materiaal

Aan de Universiteit van Padova werd onlangs een lezing gehouden door Prof. Ernesto Di Mauro van de Universiteit ‘La Sapienza’ van Rome over het spontaan ontstaan van het genetisch materiaal. Hier volgt een korte samenvatting.

De lezing behandelde niet de oorsprong van het leven maar de spontane vorming van nucleosiden, de chemische componenten van het DNA, of beter het RNA, gezien Di Mauro zelf meer voorstander is van de RNA-wereld hypothese. Deze hypothese gaat ervan uit dat de eerste macromoleculen die essentieel voor het ontstaan van het leven waren, uit RNA bestaan moeten hebben. RNA is het enzyme van zijn eigen molecuul want het kan namelijk zelf de bouw van dezelfde of nieuwe RNA-moleculen bewerkstelligen.

Om helemaal bij het begin te starten nam hij het publiek mee naar de samenstelling van sterrenstof (of beter interstellair stof, zie onderstaande reacties). Dit bestaat, behalve uit de zes essentiele elementen voor het leven H, C, O, P, S en N, ook uit grotere moleculen waaronder waterstofcyanide (HCN) en water (H2O).

Orion nevel van VKblog van Marcel-Jan Krijgsman. Klik op de foto voor een grotere versie

Het sterrenstof/interstellaire stof komt op de Aarde terecht, waarbij de laatste twee moleculen reageren om formamide (HCNOH2) te vormen. Deze stof induceert de eigen replicatie en vormt

formamide
Van Internet: Formamide
uracil
Van internet: De nucleoside Uracil

steeds meer kopieën van zichzelf. Tussen 4°C en 210°C is formamide vloeibaar.
Door de hoge temperaturen vormt het ‘neerdalende’ sterrenstof samen met formamide de eerste nucleosiden ofwel de vier ‘letters’ (U, A, G, C) van het RNA. Zie ook de figuren waarop formamide en een nucleoside afgebeeld zijn.
In het bijzijn van koper worden de nucleosiden gefosforileerd tot nucleotiden. Zo vormt zich bijboorbeeld cGMP, cyclisch Guanine Monofosfaat. Dit cGMP polymeriseert makkelijk tot een lange keten omdat deze stabieler is dan de enkele nucleotide zelf. polyG en polyC vormen dan spontaan dimeren. Ook omdat deze stabieler zijn dan de enkelstrengse polymeren. Het blijkt dat de sequenties GCC-GGC-GCC-GGC de meest frequente én meest stabiele zijn. De bijbehorende sequentie aminozuren gly-ala-gly-ala is daarom ook de meest frequente. Zo kan men concluderen dat complexe moleculen kunnen ontstaan omdat hun stabiliteit groter is.

De lezing werd middels vragen besloten met beschouwingen over wat leven is. Di Mauro merkte op dat de hierboven genoemde moleculen niet onderhevig zijn aan natuurlijke selectie, want natuurlijke selectie veronderstelt dat er reeds ‘iets’ aanwezig moet zijn om te selecteren. Toch is het mijns inziens mogelijk de snelheid waarmee bepaalde moleculen zich vormen ten opzichte van andere en de stabiliteit die ze bezitten bij bepaalde pH-waarden of temperaturen als een systeem te beschouwen dat wél onderhevig is aan natuurlijke selectie. De snelst groeiende polymeriserende en meest stabiele moleculen overheersen over de andere en de omgeving (pH en temperatuur) bepaalt of zij in het medium langer of korter zullen ‘overleven’. Di Mauro heeft uiteindelijk niet verteld waar we de grens moeten leggen voor leven. Replicatie kwam hier immers niet aan de orde.

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Why Evolution Is True

Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

Glaswerk

Ongepoetst en uit de hand

%d bloggers liken dit: