Alkalische hydrothermale bronnen en de RNA-wereld (Lane vs Koonin)

Alkalische hydrothermale bron

Dit blog volgt al enige tijd wat de wetenschappelijke opvattingen zijn over de oorsprong van leven. Gedurende de voorgaande eeuw kwamen er vele hypothesen naar voren. Vooral het idee van de primordiale soep zal bij velen bekend zijn; een lauwwarm vijvertje waar zich moleculen concentreerden. Uv-straling en elektrische ladingen zouden gezorgd hebben voor de energie die nodig is om grotere moleculen zoals aminozuren en proteinen te maken.
In de jaren zeventig ontdekte men de black smokers en daarmee ook de alkalische hydrothermale bronnen die zich beide op grote diepte op de oceaanbodem bevinden. Het lijken heel goede kandidaten te zijn als plek voor de oorsprong van het eerste leven. De laatste jaren concentreert men zich vooral op de alkalische hydrothermale bronnen. Deze hebben een rustiger karakter vergeleken met de black smokers en zijn veel minder heet. Ook het water sijpelt langzaam door de uit aragoniet bestaande wanden heen. Men heeft kunnen vaststellen dat zich in de wand microporiën bevinden die microscopische compartimenten vormen die een goed equivalent vormen voor een cel. In de wand van deze cellen vormt zich een protonengradiënt net zoals dat bestaat in levende cellen. Dit zou de eerste energiebron geweest kunnen zijn voor de reductie van kooldioxide.
Nick Lane beschouwt de mogelijkheid dat leven zich op deze wijze ontvouwt niet als uniek. Hij beweert dat elke planeet met rotsen en water de condities heeft om leven te herbergen.

Zowel Nick Lane als Eugene Koonin spreken van een RNA-wereld. Dit zou een wereld moeten zijn die vrijwel exclusief uit RNA bestaat. D.w.z. een wereld die nog geen levende cellen kent en bestaand uit langere of minder lange strengen van RNA en ribozymen. De katalyse van deze strengen RNA hangt af van de ribozymen die zelf ook uit RNA bestaan. Om de kans te berekenen dat leven kan ontstaan met als beginpunt een RNA-wereld neemt Koonin de grootte van ons universum in ogenschouw.

Ook hij spreekt van de alkalische hydrothermale bronnen als een zeer waarschijnlijke plaats voor de oorsprong van leven. Maar om te begrijpen of het ontstaan van leven daar meer of minder waarschijnlijk is kijkt hij niet zozeer naar de chemie zoals Lane dat doet, maar gaat hij uit van het universum dat voor ons zichtbaar is. Hij komt dan tot de conclusie dat de kans dat het fenomeen van een replicatie van RNA gekoppeld aan transcriptie zich voordoet in dat universum uiterst gering is. En wel kleiner dan 10^-1.018. Volgens deze berekening had leven nooit in ons universum kunnen ontstaan. De RNA-wereld zou zich zeer zeker voordoen in een MWO ofwel in een Many Worlds in One, waarin immers elk fenomeen dat gehoorzaamt aan de wetten der natuurkunde zich vroeg of laat voordoet. Een dergelijke wereld bestaat uit oneindig veel universa waarin er oneindig veel kopieën van de Aarde zijn.

Het lijkt er enigszins op dat het concept van dit multiversum nodig is om het ontstaan van leven te kunnen legitimeren. Als de berekeningen van Koonin kloppen wat betreft de kans dat RNA-polymeren zich vormen dan zou het ontstaan van leven in ons enkel universum een wonder genoemd moeten worden. Het is wat mij betreft waarschijnlijker dat er iets niet klopt in de berekeningen van Koonin. Zoals hij zelf onderstreept is het geen realistisch model en dient het uitsluitend om een brug te slaan tussen biologische en cosmologische modellen van de realiteit.

Zoals in het duidelijke blogbericht over Koonin van Gert Korthof beschreven wordt, kan de berekening en het resultaat daarvan betreffende de spontane vorming van RNA beschouwd worden als een treshold voor het ontstaan van leven.
Ikzelf blijf met het idee zitten dat de synthese van RNA de enige factor is die berekend kan worden en dat deze om die reden als treshold genomen is. Een ander punt is dat Nick Lane voorstander is van een ‘zwakke’ RNA-wereld waarin er ook andere moleculen zoals mineralen (bijv. ijzer-zwavel clusters) zijn die katalyseren. Als ook deze moleculen deel uitmaken van de katalyse van het RNA dan zouden berekeningen totaal onmogelijk zijn. De katalyse zou wel eens veel makkelijker gegaan kunnen zijn dan dat Koonin doet geloven. Ook het idee dat de grootte van het universum aangepast moet worden aan het resultaat van deze berekeningen is in zekere zin een antropogeen principe. Het moet vast en zeker allemaal met een korreltje zout genomen worden aangezien Koonin zelf schrijft dat het een ‘back-of-the-envelope’ berekening is.

Uit: Nick Lane

en E.V. Koonin: The Logic of Chance 2012

Het wonderlijke ribosoom

Vanmorgen was er een lezing van Ada Yonath aan de Universiteit van Padua. Zij ontving in 2009 de Nobelprijs voor Scheikunde voor haar onderzoek op het ribosoom. Haar groep bestudeerde met kristallografie de structuur van het ribosoom en ontdekte veel nieuws over de symmetrie ervan en over de gevoeligheid voor antibiotica.

 

Van internet: in de celkern vindt transcriptie plaats met vorming van mRNA. Dit migreert naar het cytoplasma waar het mRNA vertaald wordt door de ribosomen (lichtblauwe bollen langs het mRNA). De tRNA met hun anti-codon en aminozuur plaatsen zich in het ribosoom waar het aminozuur verbonden wordt met de groeiende peptide.

Het DNA bevat de genetische informatie die tijdens de transcriptie omgezet wordt in RNA (mRNA ofwel messenger RNA). Het RNA wordt door de ribosomen vertaald in eiwitten. De eiwitten vouwen zich en worden dan functioneel; ze voeren alle chemische reacties uit die de cel nodig heeft (enzymen) of vormen structurele elementen, hormonen of receptoren.

Het ribosoom zelf bestaat ook uit RNA en een aantal eiwitten.

RNA is het belangrijkste onderdeel van het ribosoom. De eiwitten die er ook deel van uitmaken hebben vaak een stabiliserende functie. Sommige eiwitten zijn sterk geconserveerd wat aangeeft dat hun functie erg belangrijk is voor de activiteit van het ribosoom. Maar het ribosomale RNA heeft op zichzelf een catalyserende functie en kan zonder hulp van deze eiwitten functioneren. Dit wordt het ribozyme genoemd. Eiwitten kunnen alleen door RNA gemaakt worden; niet door andere eiwitten.

 

De studies van Yonath en haar medewerkers laten precies zien wat de fijne structuur van het ribosoom is. Ze konden aantonen dat het ribosoom een symmetrische kern heeft. Deze kern van RNA is sterk geconserveerd en komt voor 98% overeen in alle levensvormen. Dit betekent dat deze kern een bijzonder essentiële functie heeft. Ze veronderstellen dat deze actieve site van het ribosoom door genfusie van twee gescheiden maar vergelijkbare domeinen tot stand is gekomen, waarbij elk voor de helft van de catalytische activiteit zorgde. Deze sterke conservatie geldt niet de sequentie van het RNA in deze vitale symmetrische kern, maar de driedimensionale structuur. Dit wijst erop hoe belangrijk de positie van de substraten is in de stereochemie bij de vorming van peptidebindingen.

 

Ook Yonath veronderstelt dat er ooit een RNA-wereld bestond waarin het ribozyme het eerste ‘enzyme’ was. Zij stelt wel de vraag waarom het RNA ooit begonnen is met het produceren van eiwitten.

De eiwitten die zich later bij het ribozyme voegden verhoogden er de efficiëntie en de nauwkeurigheid van. Huidige ribosomen maken 1 fout op een miljoen.

 

Hun studie heeft ook veel aan het licht gebracht over rotatie en antibiotica.

De rotatie van het tRNA (het transfer RNA dat aminozuren aanvoert die één voor één gekoppeld worden aan de peptide) binnen het ribosoom is belangrijk voor de stereochemische vorming van de peptidebinding.

Antibiotica binden aan de ribosomen van bacteriën. De ribosomen van hogere organismen hebben een andere structuur en zijn ongevoelig voor antibiotica. Door de binding van het ribosoom met antibiotica wordt de vertaling van het mRNA ofwel de eiwit-synthese stopgezet en de bacteriën sterven. Ze konden waarnemen waar de verschillende antibiotica zich precies vasthechtten en hoe ze de synthese verstoorden.

 

Ada Yonath liet ons ook het volgende filmpje zien dat gelukkig op youtube terug te vinden was. Er is een lang molecuul van mRNA te zien dat door de twee subuniteiten van het ribosoom vertaald wordt. Er wordt ingezoomd op de tRNA die met hun aminozuren het ribosoom binnenkomen, hun aminozuur afleveren en zonder aminozuur uitgestoten worden.

 

 

 

Meer informatie en prachtige afbeeldingen zijn te vinden op de website van Ada Yonath.

 

 

Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld.

De evolutietheorie beschrijft en verklaart de evolutie van de levende organismen door natuurlijke selectie, maar geeft geen verklaring voor het ontstaan van dit leven op Aarde. Er zijn vele experimenten die aangetoond hebben dat uit een oersoep van inorganische elementen, organische moleculen kunnen ontstaan onder bepaalde omstandigheden die de atmosfeer of de oceanen van de vroege Aarde nabootsen. Het is op deze manier mogelijk aminozuren, nucleotiden en koolhydraten te creeëren die op hun beurt korte ketens van resp. polypepeptiden (eiwitten), polynucleotiden (RNA en DNA), en ribosen (suikers) kunnen vormen. Het is nog niet experimenteel aangetoond dat deze moleculen ook inderdaad de ingewikkelde eiwitten, DNA- of RNA-moleculen vormden die we in levende organismen tegenkomen, maar het is niet moeilijk te veronderstellen dat na een lange incubatietijd en met behulp van hoge temperaturen en/of catalyserende substraten er reacties plaats konden vinden, die inderdaad deze macromoleculen voortbrachten. Zie voor een uitgebreide beschrijving van abiogenese het blog van Qabouter.

Plaatje van subuniteit van ribosoom geleend van Wikipedia. Oranje: enkelstrengs RNA. Blauw: eiwit

Een volgende stap in deze ontwikkeling is de vorming van zelfreplicerende en/of catalyserende moleculen. Het belangrijkste catalyserende molecuul dat zich in alle levende organismen bevindt is het ribosoom. Een ribosoom is gevormd door twee subuniteiten en bevat zowel RNA als eiwitten. Het is verantwoordelijk voor de ‘vertaling’ van het mRNA in eiwitten. Het mRNA is een molecuul dat (meestal) een exacte kopie is van een gen op het DNA. Het DNA dat zich in de celkern bevindt wordt gekopieerd in mRNA dat de celkern verlaat. In het cytoplasma wordt het mRNA door de ribosomen gelezen en vertaald in eiwitten zoals enzymen, antilichamen en structurele proteinen. Het is lang een discussiepunt geweest of de eerste macromoleculen eiwitten waren of RNA. Eiwitten zijn vaak enzymen die reacties kunnen catalyseren, iets wat nodig is voor de synthese van RNA bijvoorbeeld. Het feit dat de catalyserende kern van het ribosoom uit RNA bestaat, waardoor het molecuul ook wel ribozyme genoemd wordt, heeft vele wetenschappers ervan overtuigd dat de oersoep op een bepaald moment een RNA-wereld was, waarin RNA zowel een coderend als en catalyserend molecuul was.

Van deze oermoleculen is natuurlijk allang geen spoor meer te vinden; er zijn geen moleculaire fossielen. Het kan dus nooit direct aangetoond worden dat er bijv. een RNA-wereld was.

Het ribosoom, dat zo’n 4 miljard jaar geleden onstaan moet zijn, is hetzelfde in alle procaryoten (bacteriën) en verschilt van dat van eukaryoten (dieren en planten), die op hun beurt allemaal hetzelfde cytoplasmatische ribosoom hebben.

Een studie in Nature met als titel Hypothesis beschrijft hoe de tegenwoordige ribosomen ontstaan zouden kunnen zijn uit de aggregatie van kleinere domeinen. Deze studie laat zien hoe de subuniteit van het ribosoom 23S (van prokaryoten) achtereenvolgens ontdaan kon worden van 59 onderdelen, zonder dat de stabiliteit van de driedimensionele structuur van het overgebleven deel werd aangetast. Werden deze onderdelen weer langzaamaan toegevoegd, dan hervond het proto-ribosoom een steeds grotere sintesecapaciteit. Elke component voegde zich pas aan het voorgaande geheel toe als dit een verhoogde stabiliteit of efficiëntie betekende. De hypothese is dat gedurende de eerste stadia van evolutie het ribosoom uitsluitend uit RNA bestond (ribozyme) en pas nadat het efficiënt genoeg was om ook eiwitten te produceren werden deze laatsten ook belangrijk op aarde en in de structuur van het ribosoom.

Dit zou de eerste stap geweest kunnen zijn van een RNA-wereld naar een eiwitwereld, maar het blijft slechts een hypothese…