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

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

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).

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.

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

 

Over de evolutie van de genetische code

Tot nu toe gingen mijn blogs vaak over de abiogenesis, ofwel het ontstaan van de eerste macromoleculen (DNA, RNA en eiwitten) uit de beschikbare moleculen in de ‘primordiale soep’. Daarbij springt vooral het werk van Ernesto Di Mauro (1, 2) in het oog, die liet zien dat zich in water zonder katalyserende enzymen spontaan lange ketens van nucleotiden (ofwel basen) kunnen vormen. In zijn experimenten ging het om heel eenvoudige ketens van maar één van de vier basen.

De genetische code: A, G, C en U zijn de vier basen van het RNA die de drieletterig code vormen voor de aminozuren (aangegeven met kleine letters)

Nucleotiden ofwel basen zijn de letters van het DNA en het RNA. DNA kent iedereen als de moleculen waarin onze genen opgeslagen liggen. De genen worden gelezen en zo wordt er in de celkern mRNA van gemaakt dat een bijna exacte kopie is van het DNA. Het DNA en het RNA bestaan uit vier verschillende letters (A, G, C en T of U). Bij de productie van eiwitten, wordt het mRNA afgelezen waarbij de letters in groepjes van drie worden herkend door het transferRNA ofwel het tRNA. Die groepjes van drie zijn de codons. Deze zijn complementair aan een tRNA dat een specifiek aminozuur draagt. Aangezien we vier ‘letters’ hebben die zich in groepjes van drie kunnen combineren, bestaan er 4^3 = 64 verschillende codons. De eiwitten, die uit ketens van aminozuren bestaan, zijn uit slechts 20 verschillende aminozuren opgebouwd. In de tabel zijn de codons met hun corresponderende aminozuren te zien; dit is de genetische code. Het blijkt dat de code voor elk aminozuur voornamelijk bepaald wordt door de eerste twee letters. De derde is vaak irrelevant. Deze derde positie wordt ook wel de Wobble positie genoemd en de code zelf is zogezegd gedegenereerd. Het gangbare idee is dat de oorspronkelijke primordiale code slechts uit twee nucleotiden bestond en dat daar vervolgens een code van drie basen uit ontstaan is.

Fig. 1 Translatie: Het tRNA hecht zich met het anti-codon aan het codon van het mRNA (groen). Het gedragen aminozuur wordt vastgehecht aan de groeiende peptide.

Een belangrijke rol heeft het tRNA. Dit tRNA heeft een arm waarvan het uiteinde van de lus complementair is aan het codon van het mRNA. Het tRNA, dat een specifiek aminozuur draagt, hecht zich met zijn anti-codon aan het mRNA zodra ‘zijn’ codon aan de beurt is om vertaald te worden (zie fig. 1). Het aminozuur hecht zich aan de keten aminozuren en is daarmee deel van het groeiende eiwit. De code is gedegenereerd wat betekent dat er verschillende tRNA’s zijn die hetzelfde aminozuur dragen.

De allerbelangrijkste speler is wel de synthase van het tRNA. Dit enzym is verantwoordelijk voor de juiste koppeling van een tRNA aan het bijbehorende aminozuur (zie fig.2) . Het is de ware tweetalige protagonist die de brug legt tussen de vier lettercode van het DNA/RNA en de twintig lettercode van de eiwitten. Hier is een filmpje te zien van hoe dat in zijn werk gaat. Een kant van het enzym leest het anti-codon en de andere kant hecht het juiste aminozuur aan het andere uiteinde van het tRNA. Elk aminozuur heeft zijn eigen tRNA-synthase.

Fig. 2. tRNA synthase (geel), tRNA (rood)

Er bestaan twee groepen tRNA-synthase. Elke groep bestaat uit 10 enzymen. De twee groepen verschillen van elkaar voor wat betreft hun actieve site, hun sequentie, en de plek waar het aminozuur vastgemaakt wordt. Op dezelfde manier kunnen de aminozuren in twee groepen verdeeld worden. Dit heeft geleid tot het idee dat de twee groepen apart van elkaar geëvolueerd zijn of zelfs na elkaar. Het zou kunnen dat er ooit twee codes naast elkaar bestonden en dat deze twee zich samengevoegd hebben. Het zou ook kunnen dat er in eerste instantie heel eenvoudige eiwitten bestaan hebben van slechts 10 aminozuren (groep II) in plaats van 20. Studies van sterk geconserveerde sequenties, die dus erg oud zijn, tonen aan dat deze voornamelijk uit groep II-aminozuren zijn opgebouwd. Deze primordiale verdubbeling van de genetische code laat zien dat de code niet eenvoudigweg een ‘bevroren toeval’ is zoals Crick beweerde, maar wel degelijk een optimale code is.

Uit: Apoorva Patel (2004); Woese et al. (2000); José et al. (2009)

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

Van Internet: Formamide

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.

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.

De oorsprong van het leven: lezing

John Maynard Smith (1920-2004) was een Engelse evolutiebioloog en geneticus, en vertelt in de volgende lezing eigenlijk alles wat je over evolutie zou moeten weten. Dit Royal Institution Discourse uit 1995 duurt ongeveer een uur.

Ten eerste definieert hij wat leven is en legt de nadruk op het feit dat informatie erfelijk moet zijn. Daarna legt hij uit hoe het leven heeft kunnen ontstaan en spreekt over het eeuwige ‘kip en ei’-probleem: wat was er nu eerst; de proteïnen (eiwitten) of het RNA dat voor de proteïnen codeert. Hij belicht dan de grote rol die ribozymen mogelijk hebben gespeeld. Ribozymen zijn RNA-moleculen die ook kunnen functioneren als enzymen (zie ook voorgaande blog). Gewoonlijk zijn enzymen proteïnen (eiwitten), maar dit oer-RNA kon dus zowel informatie vasthouden als translatie bewerkstelligen. Hij merkt op dat aminozuren (de bouwstenen van proteïnen) makkelijk deel uit konden maken van de oersoep (zie experiment van Urey-Miller), maar legt niet uit waar de eerste nucleotiden vandaan kwamen (de bouwstenen van DNA en RNA). Daarna zet hij uiteen wat de grote evolutionaire stappen waren die uiteindelijk de kenmerken van onze soort bepaald hebben: de evolutie van het chromosoom, van sex, taal, schrift en de uiteindelijke ‘electronische’ evolutie.

De lezing voltrekt zich binnen een echte oude britse academische sfeer, maar de ideeen zijn springlevend.
http://video.google.com/googleplayer.swf?docid=4961537793081085343&hl=it&fs=true