Biologen, scheikundigen en zelfs wiskundigen werken al tientallen jaren aan het probleem van de oorsprong van het leven. En hoewel er al wetenschappelijk onderbouwde en ondersteunde hypothesen zijn over chemische evolutie vóór het verschijnen van de eerste cel, gaat het werk in deze richting door. "Lenta.ru" vertelt over een nieuwe studie over het probleem van de RNA-wereld, waarvan de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences.
Wetenschappers van de Portland State University, die experimenten met ribozymen uitvoerden, ontdekten dat het vermogen van deze moleculen om hun eigen assemblage te katalyseren afhangt van hun interactie met andere vergelijkbare moleculen. De studie ondersteunt indirect de hypothese van de RNA-wereld, die stelt dat het eerste organische molecuul dat de basis werd voor de eerste cellen RNA was. Deze RNA-moleculen waren in staat om zichzelf te synthetiseren, met elkaar te concurreren en deel te nemen aan prebiotische evolutie, toen de meest succesvolle verbindingen de basis werden voor meer complexe chemische complexen.
Veel mensen weten dat levende cellen hun eigen speciale katalysatoren hebben: enzymen, ingewikkeld gevouwen eiwitmoleculen die vitale reacties uitvoeren. Enzymen kunnen echter niet alleen eiwitten zijn, maar ook RNA-ketens. Bedenk dat RNA een nucleïnezuur is dat sterk lijkt op DNA, maar ervan verschilt doordat het ribosesuiker bevat (niet deoxyribose) en dat een van de stikstofhoudende basen, thymine, is vervangen door uracil. Volgens wetenschappers verscheen RNA vóór DNA, omdat het veel labieler is (de structuur is gevoeliger voor veranderingen) en katalytische reacties kan uitvoeren zonder de hulp van eiwitten. RNA-moleculen die enzymen zijn, worden ribozymen genoemd. Meestal katalyseren ribozymen de splitsing van zichzelf of van andere RNA-moleculen.
Een van de best bestudeerde ribozymen is Azo, een enzym gemaakt door wetenschappers van zelfsnijdende groep I-introns die worden aangetroffen in het DNA van de bacterie Azoarcus. Introns zijn gebieden van genen die geen informatie bevatten over de sequentie van een eiwit of nucleïnezuur, en worden weggesneden tijdens de rijping van boodschapper-RNA (mRNA). Alle introns van groep I katalyseren hun eigen excisie uit de RNA-sequentie. Het voor wetenschappers interessante intron ribozym Azo bevindt zich in een gen dat codeert voor een transport-RNA (tRNA) dat het aminozuur isoleucine draagt. In de cel voert Azo, net als andere ribozymen, zijn eigen excisie uit uit tRNA, maar in laboratoriumomstandigheden leerde hij reverse splicing uit te voeren: het ribozym snijdt op een bepaalde plaats het substraat - een kort RNA-molecuul met een specifieke nucleotidesequentie,waarvan stukjes aan Azo blijven hangen.
De structuur van het ribozym van de bacterie Azoarcus. Fragment IGS is rood gemarkeerd
Afbeelding: Jessica AM Yeates et al. Afdeling Chemie, Portland State University
Azo is ongeveer 200 nucleotiden lang en kan worden afgebroken in twee, drie of vier fragmenten die spontaan samenkomen bij 42 graden Celsius in aanwezigheid van een MgCl2-oplossing. Het zelfassemblageproces begint met de interactie tussen twee nucleotide-tripletten (tripletten) die tot verschillende RNA-fragmenten behoren. Wanneer waterstofbruggen worden gevormd tussen de tripletten volgens het principe van complementariteit, veranderen de delen van het ribozym hun ruimtelijke structuur en worden ze weer met elkaar verenigd. Wetenschappers hebben zich geconcentreerd op de zelfassemblage-reactie van twee fragmenten, die voorlopig WXY en Z worden genoemd, waarbij W, X, Y en Z afzonderlijke gebieden van het ribozym vertegenwoordigen van ongeveer 50 nucleotiden lang (Fig. 1). Op site W, aan de voorkant van het RNA-molecuul, bevindt zich een van de tripletten,die betrokken is bij het begin van zelfassemblage en de "interne gidssequentie" (IGS) wordt genoemd. Aan het einde van WXY is er een tag-triplet, die, in interactie met IGS, een sterke covalente binding vormt met het Z-fragment.
Promotie video:
De onderzoekers creëerden verschillende varianten (genotypes) van WXY-fragmenten door de nucleotiden in het midden van de IGS en tag-tripletten (respectievelijk nucleotiden M en N) te veranderen. Aangezien RNA-moleculen gewoonlijk door slechts vier soorten nucleotiden worden gevormd, zijn er 16 van dergelijke varianten. Een van de genotypen kan bijvoorbeeld 5'-GGG-WXY-CAU-3 'zijn en de andere 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Al deze varianten van moleculen kunnen met elkaar concurreren en verschillende metabolische netwerken vormen, waarin een gemeenschappelijke hulpbron - het Z-molecuul - nodig is om een heel ribozym te herstellen.
De reactie tussen verschillende fragmenten van het Azo-ribozym om een heel molecuul te vormen
Afbeelding: Jessica AM Yeates et al. Afdeling Chemie, Portland State University.
In hun experimenten testten wetenschappers eerst het vermogen van elk genotype om zichzelf afzonderlijk te assembleren. Wanneer M en N Watson-Crick-paren vormen (dat wil zeggen, volgens het complementariteitsbeginsel, A - U, C - G), wordt de zelfassemblagesnelheid van ribozym hoger dan bij andere typen paren. De onderzoekers simuleerden vervolgens een warme "kleine vijver" -omgeving waarin verschillende prebiotische moleculen met elkaar in wisselwerking staan om van elkaar te profiteren en zelforganiserende processen te versnellen. Biochemici volgden het gedrag van genotypen die aan elkaar waren gekoppeld, in totaal bestudeerden wetenschappers 120 paren, bestaande uit twee ongelijke WXY-varianten. Ze maten de snelheid van elke reactie die plaatsvond tussen moleculen van de twee WXY-genotypen en Z-fragmenten in afzonderlijke buisjes gedurende 30 minuten.
Interactie tussen sequenties van verschillende ribozymfragmenten met behulp van waterstofbruggen
Afbeelding: Jessica AM Yeates et al. Afdeling Chemie, Portland State University
Door de resultaten van beide fasen van het experiment te combineren en de zelfassemblagesnelheden te verkrijgen wanneer twee verschillende genotypen op elkaar inwerken, zetten de onderzoekers een evolutionair experiment op. Paren van genotypen werden in gelijke verhoudingen gemengd, voorzien van Z-fragmenten en vijf minuten met elkaar gereageerd. Gedurende deze tijd proefden de wetenschappers 10 procent van de oplossing in een nieuwe reageerbuis, die meer niet-gereageerde WXY van elk genotype en Z-fragmenten bevatte. Wetenschappers volgden de verhoudingen van elk WXYZ-genotype tijdens acht van dergelijke overdrachten. Dit maakte het mogelijk om het chemische equivalent van het evolutionaire succes van ribozymen over generaties heen te schatten, wat werd waargenomen als een "explosie" - dat wil zeggen, een sterke toename in de snelheid van zelfassemblage van RNA. In een evolutionair experiment bestudeerden biologen de interactie van zeven paar ribozymen.
Op basis van alle laboratoriumexperimenten hebben wetenschappers een wiskundig model van differentiaalvergelijkingen afgeleid die rekening houden met de snelheid van zelfassemblage van genotypen met of zonder de aanwezigheid van andere genotypen. Dit model werd de basis voor een nieuwe evolutionaire speltheorie, die verschillende gedragingen van RNA-moleculen definieert. In het ene geval, "dominantie" genaamd, komt een van de genotypen altijd vaker voor dan het andere, terwijl de zelfassemblage ervan altijd hoger is dan de snelheid van de concurrent. In het andere geval - "Samenwerking" - genieten beide genotypen die met elkaar interageren voordelen van "samenwerking", en overtreft de snelheid van hun zelfassemblage dat wat ze afzonderlijk van elkaar zouden hebben. Het "zelfzuchtige scenario" - precies het tegenovergestelde van "samenwerking" - betekent dat elk ribozym afzonderlijk meer ontvangt dan wanneer het met iemand anders omgaat. En tenslottebij "Contra-dominantie" begint het genotype met een laag zelfassemblagepercentage plotseling vaker voor te komen dan zijn concurrent.
Deze studie is niet bedoeld om de RNA-wereldhypothese rechtstreeks te bewijzen, maar het vertegenwoordigt wel een ander stuk in de puzzel van wetenschappelijk begrip van prebiotische evolutie. Voor het eerst werd aangetoond dat de enzymatische eigenschappen van individuele moleculen kunnen worden verbeterd in aanwezigheid van andere moleculen die slechts één of twee nucleotiden verschillen. In de gigantische oplossing die de oceanen van de aarde vormden aan het begin van het leven, streden deze moleculen met elkaar om substraten, werkten ze samen en versterkten hun actie. Op basis hiervan kan al worden aangenomen waarom complexe organische verbindingen zich probeerden te verenigen in systemen die prototypes zijn van de eerste cellen.
Alexander Enikeev
