Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben nieuw bewijs ontvangen ten gunste van de RNA-wereldhypothese. Het bleek dat kleine aminozuurketens, in combinatie met RNA, hun katalytische eigenschappen verbeteren, waardoor ze minder afhankelijk worden van giftige ionen. En dit is een noodzakelijke voorwaarde voor de vorming van de eerste cellen. "Lenta.ru" vertelt over het werk dat in het tijdschrift Nature is gepubliceerd.
Volgens de hypothese van de RNA-wereld is het leven ontstaan uit een eenvoudig biologisch systeem waarin geen DNA- en eiwitmoleculen waren. Het bestond uit RNA-complexen die niet alleen genetische informatie konden opslaan, maar ook chemische reacties konden katalyseren (in dit geval werden ze ribozymen genoemd). Met andere woorden, ze combineerden de functies van DNA en enzymen. Vervolgens leidde de combinatie van RNA met peptiden en deoxyribonucleïnezuur tot de opkomst van eencellige organismen. De vraag rijst echter: wat was het voordeel van de interactie tussen de RNA-wereld en eiwitten?
Ribozymen, RNA-polymerasen genaamd, worden verondersteld het grootste deel van de RNA-wereld te hebben gevormd. Het waren replicators - objecten die in staat waren tot zelfreplicatie. De middelen hiervoor waren nucleotiden in de primaire bouillon. In het begin hadden ribozymen moeite om zichzelf te kopiëren omdat hun katalytische vermogens niet waren ontwikkeld. Ze maakten fouten, wat resulteerde in ribozymen met mutaties. Deze veranderingen zouden RNA-polymerase het vermogen kunnen ontnemen om te katalyseren; in sommige gevallen verbeterde deze kwaliteit echter integendeel. Na verloop van tijd reproduceerden ribozymen zich sneller en nauwkeuriger, werden ze talrijker en wonnen ze de competitie om middelen.
Ribozymen waren dus de primaire genomen, omdat ze genetische informatie over hun eigen sequentie hadden opgeslagen. Later werden ze ingekapseld in deeltjes gevormd door lipidemembranen, wat leidde tot de vorming van de eerste protocel. Wetenschappers zijn in staat om analogen van het RNA-polymerase ribozym te synthetiseren, die de synthese van andere ribozymen katalyseren, of zelfs korte sequenties van ribonucleotiden kopiëren. Het is echter nog steeds niet mogelijk om een ribozymreplicator te verkrijgen.
Ribosoom Thermus thermophilus
Afbeelding: Public Domain / Wikimedia
Er is nog een ander probleem. De ribozymen die in laboratoria worden gesynthetiseerd, zijn alleen actief bij zeer hoge concentraties magnesiumionen, die lipidemembranen vernietigen. Dit betekent dat er een fundamentele onverenigbaarheid bestaat tussen ribonucleïsche RNA-polymerasen en de processen van protocelvorming.
Promotie video:
De situatie wordt gered door het feit dat de RNA-moleculen niet zijn geïsoleerd uit veel andere chemische verbindingen, zoals peptiden. Ribozymen kunnen samenwerken met aminozuursequenties, die hun functie beïnvloeden. Dit wordt ook ondersteund door het feit dat de activiteit van ribozymen zoals spliceosomen (afgesneden introns van rijpend boodschapper-RNA), ribosomen (betrokken bij eiwitsynthese) en ribonuclease P (katalyseer RNA-afbraak) afhankelijk zijn van verwante eiwitten. Onderzoek heeft aangetoond dat bepaalde eiwitten die aan ribozymen binden, veranderingen in hun secundaire structuur en functie veroorzaken. In het geval van ribonucleasen P kunnen eiwitten dus de concentratie van magnesiumionen verlagen die nodig zijn voor hun activiteit. Met dit in gedachten besloten de wetenschappers uit te zoeken of peptiden de functie van RNA-polymerase-ribozymen op een vergelijkbare manier konden beïnvloeden, waardoor hun afhankelijkheid van magnesium werd verminderd.
Om deze vraag te beantwoorden, is het nodig om geen eiwitten te kiezen, maar alleen eiwitten die ooit interactie hebben gehad met ribozymen van de RNA-wereld. Wetenschappers wendden zich tot de structuur van ribosomen, die een soort moleculair relikwie zijn. Onderzoeksresultaten geven aan dat ribosomen in hun moderne vorm al aanwezig waren in LUCA - de gemeenschappelijke voorouder van alle moderne levensvormen.
De structuur van de ribosoomsubeenheden van Thermus thermophilus
Afbeelding: Philipp Holliger / Cambridge
In de structuur van het ribosoom, gevormd door eiwitten, ribonucleïnezuren en ionen, wordt de evolutie ervan vastgelegd. Zo is de basis van de grote ribosomale subeenheid verrijkt met magnesiumionen. Geleidelijk aan werd het overwoekerd met extra modules waarin ionen werden vervangen door peptiden. Volgens wetenschappers weerspiegelt de relatie tussen ribozymen en aminozuurketens de evolutionaire geschiedenis van de RNA-wereld en zijn overgang naar de RNA-peptidenwereld. Daarom werd het effect van peptiden uit ribosomen, die worden beschouwd als de oudste eiwitsequenties op aarde, geanalyseerd.
De onderzoekers identificeerden meerdere peptiden van beide ribosoomsubeenheden van de bacterie Thermus thermophilus, die de activiteit van het RNA-polymerase Z-ribozym, dat RNA-moleculen repliceert, versterkte.
Fluorescentiemicroscopiebeeld van membraanblaasjes
Afbeelding: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Verenigd Koninkrijk
Het meest significante effect werd echter verkregen door het homopolymere lysinedecapeptide (K10), een aminozuursequentie van tien lysinemoleculen. Het ondersteunde ribozymfuncties bij lage concentraties magnesiumionen, waardoor een peptide-ribozymcomplex werd gevormd. Wetenschappers hebben gesuggereerd dat dit komt door de stabilisatie van tussenproducten in de katalytische cyclus.
Om te testen of dit peptide de activiteit van ribozymen in het membraancompartiment kon bevorderen, voerden de onderzoekers een experiment uit. Er werden stabiele blaasjes verkregen, bestaande uit fosfolipiden en diacylglycerolen, waarin RNA was ingekapseld. Bij een concentratie magnesiumionen van 10 millimol (veilig voor het membraan) en in aanwezigheid van K10 werd ribozym-gekatalyseerde RNA-synthese waargenomen. Bij afwezigheid van magnesium vond synthese echter niet plaats.
Dit geeft aan dat de peptiden het inderdaad mogelijk maakten dat ribozymen katalytische activiteit uitoefenen bij lage concentraties van toxische ionen. Als gevolg daarvan nam de afhankelijkheid van RNA-polymerasen van anorganische moleculen af, wat hun evolutie en uiteindelijk de evolutie van cellen vergemakkelijkte.
Alexander Enikeev
