Een van de belangrijkste wetenschappelijke problemen waar wetenschappers over de hele wereld aan werken, is de oorsprong van het leven op aarde. Op dit gebied zijn de afgelopen decennia veel successen geboekt, zo is het concept van de RNA-wereld ontwikkeld. Het is echter nog niet bekend hoe precies de moleculen zijn ontstaan die dienden als de eerste "bouwstenen" van het leven. Het tijdschrift Science publiceerde een artikel dat misschien wel de belangrijkste vraag beantwoordt: waar kwamen de nucleotiden waaruit RNA bestaat vandaan. "Lenta.ru" onthult de details van de studie en vertelt over de betekenis ervan.
Volgens moderne wetenschappelijke concepten is het leven ontstaan uit organische verbindingen die met elkaar reageerden om sleutelmoleculen te creëren - nucleosiden. Het is bekend dat het nucleoside wordt gevormd door de suikerribose of deoxyribose en een van de vijf stikstofhoudende basen: adenine, guanine, thymine, cytosine of uracil. Nucleosiden zijn voorlopers van nucleotiden, waaruit op hun beurt DNA en RNA zijn samengesteld. Om een nucleoside in een nucleotide te laten veranderen, is een extra component vereist: fosforzuurresten.
Waarom komen nucleosiden naar voren? Deze vraag wordt beantwoord door een wetenschappelijk concept dat bekend staat als de hypothese van de RNA-wereld, die gelooft dat het RNA was dat aan de oorsprong van het leven stond. De moleculen van ribonucleïnezuren waren de eersten die de katalyse van chemische reacties in de primaire bouillon uitvoerden, leerden zichzelf en elkaar te kopiëren en, belangrijker nog, erfelijke informatie dragen. Deze RNA's worden ribozymen genoemd. Als een RNA-molecuul het vermogen had om zijn eigen kopieën te synthetiseren, dan werd deze eigenschap van generatie op generatie doorgegeven. Soms ging het kopiëren gepaard met fouten, waardoor nieuwe RNA's mutaties kregen.
Mutaties kunnen de katalytische eigenschappen van moleculen ernstig schaden, maar ze kunnen ook RNA veranderen, waardoor het nieuwe mogelijkheden krijgt. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld ontdekt dat sommige mutaties het zelfkopiëringsproces versnellen, en dat de gewijzigde ribozymen na een tijdje de overheersing beginnen te krijgen over de "normale". Moleculair biologen onder leiding van Brian Pegel van het Scripps Research Institute in Californië hebben waargenomen hoe de enzymatische activiteit van ribozymen in de loop van drie dagen evolutie in een laboratorium 90-voudig toenam. Daarom, zelfs als ribozymen aanvankelijk niet erg actief waren, zou moleculaire evolutie ze in ideale katalytische machines kunnen veranderen.
Desalniettemin stuit de hypothese van de RNA-wereld op een aantal problemen. Het is bijvoorbeeld niet bekend hoe de abiogene, dat wil zeggen zonder de deelname van levende organismen, synthese van de eerste ribozymen zou kunnen plaatsvinden. Hoewel er veel argumenten zijn gevonden ten gunste van de RNA-wereld, blijft de belangrijkste vraag hoe het tot stand kwam een struikelblok.
Sommige wetenschappers suggereren dat de chemische verbindingen waaruit nucleosiden werden gevormd niet onder aardse omstandigheden konden ontstaan, maar vanuit de ruimte naar de planeet werden gebracht. Het is echter vermeldenswaard dat het probleem verband houdt met purinenucleosiden - adenosine en guanosine, die respectievelijk adenine en guanine bevatten. Voor pyrimidinemoleculen die cytosine, thymine of uracil bevatten, zijn syntheseroutes bekend die best kunnen bestaan aan de oorsprong van leven. Domino-achtige chemische reacties leiden tot de vorming van grote hoeveelheden van de benodigde pyrimidines.
Promotie video:
Wetenschappers hebben een mogelijke route voorgesteld voor de vorming van purinenucleosiden, maar dit kan leiden tot het verschijnen van vele andere verbindingen, waaronder de vereiste nucleosiden slechts een kleine fractie zouden zijn. Alleen purines afborstelen zal niet werken, omdat ze niet alleen integrale componenten zijn van RNA en DNA, maar ook adenosinetrifosfaat (ATP) vormen, dat betrokken is bij het metabolisme van energie en stoffen in het lichaam, en guanosinetrifosfaat, dat dient als energiebron voor eiwitsynthese.
Een eenvoudige manier om een nucleoside zoals adenosine te vormen, is door adenine te combineren met ribose in aanwezigheid van NH4OH. Ribose hecht zich aan een van de adenine-stikstofatomen, alleen heeft het er meerdere, en alleen stikstof op de negende positie zou moeten deelnemen aan de synthese van adenosine. Bovendien blijkt dat dit stikstofatoom niet erg reactief is. Dit betekent dat als de hypothese van de RNA-wereld correct is (wat meer dan waarschijnlijk is), er een andere manier moet zijn om adenosine en guanosine in de primaire bouillon te synthetiseren.
In een nieuwe studie hebben wetenschappers een andere route voorgesteld voor de synthese van purinenucleosiden die het probleem oplost en de positie van het concept van de RNA-wereld versterkt. Het begint allemaal met aminopyrimidinemoleculen, die gemakkelijk kunnen worden gevormd uit een verbinding die zo simpel is als NH4CN. Dit gebeurt door de vorming van guanidine, het reageert vervolgens met aminomalonitril, wat resulteert in de vorming van een tetraaminopyrimidinemolecuul. Het oxideert gemakkelijk in een zuurstofhoudende omgeving, maar blijft stabiel in de zuurstofvrije atmosfeer die kenmerkend was voor de aarde vóór de geboorte van leven. Naast tetraaminopyrimidine kunnen andere soortgelijke moleculen worden gevormd: triaminopyrimidinon en triaminopyrimidine. Al deze verbindingen zijn gemakkelijk oplosbaar in water.
Het belangrijkste is dat voor alle drie de aminopyrimidinen slechts een bepaald stikstofatoom reactief is, en dit lost het probleem op van deelname aan de reactie van andere atomen, wat kenmerkend is voor adenine. De verzuurde omgeving leidt ertoe dat stikstofatomen in de ring protonen hechten en alle externe aminogroepen blokkeren, behalve één op de vijfde positie. Wanneer een mengsel van aminopyrimidines en mierenzuur wordt verwarmd, wordt er maar één mogelijke verbinding gevormd: formamidopyrimidine. De reactieopbrengst is 70 tot 90 procent.
Formamidopyrimidine heeft, ondanks zijn gelijkenis met purines, geen nadelen. Het stikstofatoom op de negende positie bleek het meest reactief te zijn, en de reactie met ribose in een alkalisch milieu leidt altijd tot hetzelfde resultaat: de synthese van koolstofskeletten voor purinenucleosiden. Interessant is dat formamidopyrimidine actief betrokken is bij de vorming van ribose uit glycolaldehyde en glyceraldehyde, waardoor de synthese van nucleosiden in een ammoniakomgeving wordt vergemakkelijkt. Over het algemeen zijn wetenschappers erin geslaagd een manier te ontdekken om nucleotideprecursors te vormen uit de eenvoudigste ammoniakderivaten. Dergelijke derivaten werden onlangs gevonden op de komeet Churyumov-Gerasimenko, wat het standpunt bevestigt over de actieve deelname van kometen om de aarde te voorzien van alles wat nodig is voor het ontstaan van leven.
Chemische evolutie roept echter veel meer vragen op, en om ze te beantwoorden zullen de inspanningen van onderzoekers over de hele wereld nodig zijn. Een volledig beeld van abiogenese zou niet alleen de opkomst van nucleotiden en andere organische moleculen moeten beschrijven zonder de deelname van levende organismen, maar ook hun interactie in de omstandigheden van de vroege aarde, de interactie die leidde tot de vorming van de eerste cellen.
Alexander Enikeev
