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)

Kwantumbiologie

Quantum physics

Naar aanleiding van een discussie op het evolutieblog van Gert Korthof ontstond een zoektocht naar de rol van kwantummechanica in de biologie. Hierbij is er een probleem. Fysici en biologen lijken elkaar niet goed te verstaan zoals ook aangegeven wordt in een artikel in Nature. De opleiding tot biofysicus verloopt niet in daarvoor opgezette departementen, maar de studenten wisselen van het ene naar het andere departement om wat van fysica, chemie en biologie te leren. Deze stof moet dan geïntegreerd worden.

Schrödinger wees in 1944 in What is life? als eerste op de noodzaak tot het studeren van kwantumbiologie. Daarmee wordt de rol van de kwantummechanica in de biologie bestudeerd. Dit gebeurt veelal in processen als fotosynthese, visie en brownse motors in cellulaire processen om er paar te noemen. Het lijkt erop dat ook microtubulen in neuronen onderhevig zijn aan kwantumfenomenen waarmee het bewustzijn beïnvloed zou worden.

In de discussie op het evolutieblog van Gert Korthof kwam daarentegen de vraag naar voren of ‘kwantumtoeval’ of kwantumfenomenen, die het enige werkelijk bestaande toeval zouden vormen, aan de basis kunnen staan van biologische mutatie, ofwel mutatie van DNA, dat het toeval in de biologie vormt. Het antwoord daarop is ja. In 1963 publiceerde Löwdin een studie naar de rol van proton tunneling. Dit fenomeen is lastig in een blog weer te geven, maar heeft te maken de waterstofbindingen tussen complementaire basen van het DNA. De protonen worden daarbij door de twee tegenover elkaar liggende basen gedeeld. Daarbij kunnen er door proton tunneling, dat een kwantumfenomeen is, tautomeren ontstaan van deze basen, die bij de eerstvolgende replicatie met de verkeerde base combineren, waardoor er een mutatie insluipt. Het ziet er dus naar uit dat dit fenomeen verantwoordelijk is voor spontane mutaties. Deze zouden vervolgens aan de basis staan van somatische mutaties die leiden tot veroudering en kanker kunnen veroorzaken. Het lijkt mij dat dit fenomeen ook relevant is voor erfelijke mutaties aangezien er in de geslachtscellen ook replicatie voorkomt. Dit soort mutaties zijn spontaan en hebben niets te maken met door radiatie of chemicaliën geïnduceerde mutaties. Zij zijn op geen enkele wijze voorspelbaar.

Er kwam ook een ander onderwerp aan bod in de discussie bij Gert Korthof en dat is de mogelijkheid dat kwantummechanica aan de basis staat van de oorsprong van leven. Zoals Peter M. Hoffmann het zegt in zijn boek Life’s Ratchet:

“Life must begin at the nanoscale. This is where complexity beyond atoms begins to emerge and where energy transforms readily from one form to another. It is here where chance and necessity meet. Below the nanoscale, we find only chaos; above this scale only rigid necessity.

Er zijn blijkbaar niet veel mogelijkheden om het ontstaan van leven op dit niveau aan te tonen of ten minste te schetsen. Toch wagen sommige fysici zich daaraan, en één van hen, Paul C. W. Davies heeft het volgende bedacht. Ook hierbij gaat het om de zogenaamde non-trivial kwantumeffecten. Zijn hypothese is dat het leven direct ontstond uit de wereld van atomen zonder complexe intermediaire chemie. Aangezien het leven voornamelijk gekarakteriseerd wordt door replicatoren, stelt hij een klein simpel voorbeeldje van hoe zoiets in zijn werk zou kunnen gaan. Hij noemt dit Q-life en proponeert twee verschillende sequenties aan spins A en B in gecondenseerde materie. Deze twee sequenties interageren en als gevolg daarvan transmuteert B in A. Deze transmutatie ziet er uit als AB → AA. Omdat de sequentie B nu weggevaagd is, is deze transmutatie asymmetrisch en irreversibele. Dit ‘systeem’ zou op een bepaalde manier door de organische moleculaire wereld, waarin alles langzamer gaat maar ook grotere diversiteit oplevert, overgenomen worden.

Als bioloog is dergelijke taal moeilijk te begrijpen en ik heb ook geen idee of dit ooit empirisch aangetoond kan worden. Het is slechts een kleine poging om te laten zien hoe moeilijk het is een brug te slaan in de communicatie tussen biologen en fysici. Maar het is zeker mogelijk wanneer de kwantummechanica onderwezen wordt aan biologen.

Uit: Peter M. Hoffmann. Life’s ratchet. 2012

Paul C.W. Davies. Quantum aspects of life. Chapter 1: A Quantum origin of life? 2008

P.O. Löwdin Proton tunneling in DNA and its biological implications. REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOLUME 35, NUMBER 3 JULY 1963

Hierbij bedank ik alle deelnemers aan de discussie bij Gert Korthof en in het bijzonder hemzelf.

DNA-eiwit hybride repliceert in vitro

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de spontane vorming van moleculen die essentieel zijn voor het ontstaan van leven. Zo heeft het Miller-Urey experiment aangetoond dat alle 22 aminozuren, bouwstenen van eiwitten ofwel proteinen, in een zogenaamde oersoep, bij bepaalde temperatuur en met electrische ontlading, zich spontaan kunnen vormen uit eenvoudige moleculen als waterdamp, ammoniak, methaan en waterstof. Het ontstaan van nucleotiden daarentegen, de bouwstenen van DNA en RNA, heeft nooit op analoge wijze aangetoond kunnen worden, ook al is er een recent onderzoek dat laat zien hoe deze moleculen zich wel spontaan kunnen vormen onder specifieke omstandigheden (zie ook voorgaand blog: De spontane vorming van nucleotiden)

Al het leven wat we kennen is gebaseerd op de replicatie van DNA, de transcriptie van RNA en de translatie van RNA in eiwitten met behulp van enzymen (catalyserende eiwitten of proteinen). Eiwitten, ofwel diezelfde enzymen, komen voort uit de translatie van RNA. Om die reden blijft de vraag bestaan wat er nu eerder was; de eiwitten of RNA/DNA. Sinds vele jaren is de hypothese van een ‘RNA-wereld’ populair, omdat het RNA zowel de genetische code kan bewaren, voor eiwitten kan coderen, als reacties kan catalyseren (zie ook voorgaand blog Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld).

Veel onderzoeken die trachten te achterhalen welke van deze moleculen er eerst waren, werken met vereenvoudigde dna-moleculen. in een onderzoek, dat 12 juni in science gepubliceerd is, laten onderzoekers zien dat de ruggegraat van DNA, die normaal opgebouwd is uit fosfaten en suikers (zie afbeelding), met een dimeer van aminozuren vervangen kan worden. Dit hybride, opgebouwd uit een base en twee aminozuren, kan een soort van streng vormen die zich bindt met echt DNA en daar ook de complementaire code van weerspiegelt. Er zijn vier verschillende basen in het DNA, die door hun volgorde de genetische code bepalen. Deze basen die als met ‘klitteband’ bevestigd zijn aan een cysteine-residu (dat een aminozuur is), kunnen makkelijk veranderd worden terwijl ze een complementaire streng aan het vormen zijn met echt DNA. Deze streng kan ook de complementaire code bepalen van een nieuw hybride-streng, hetgeen aantoont dat deze moleculen zelfreplicerend zijn.