Hoe slaagde het leven erin om talloze onderdelen samen te voegen? De eerste levensvormen op aarde hadden op zijn minst een manier nodig om informatie op te slaan en te reproduceren. Alleen dan kunnen ze kopieën van zichzelf maken en zich over de hele wereld verspreiden. Misschien speelde chemie een veel belangrijkere rol bij het ontstaan van het leven dan eerder werd gedacht.
Een van de meest invloedrijke hypothesen is dat het allemaal begon met RNA, een molecuul dat tegelijkertijd genetische records kan vastleggen en chemische reacties kan veroorzaken. De hypothese van de "RNA-wereld" manifesteert zich in vele vormen, maar volgens de meest traditionele vorm begon het leven met de vorming van een RNA-molecuul dat zichzelf kan reproduceren. Haar nakomelingen ontwikkelden het vermogen om veel taken uit te voeren, zoals het maken van nieuwe verbindingen en het opslaan van energie. Na verloop van tijd volgde een moeilijk leven.
Wetenschappers hebben echter ontdekt dat zelfreplicerend RNA verrassend moeilijk te maken is in het laboratorium. Ze zijn erin geslaagd, maar de kandidaat-moleculen die tot nu toe zijn gemaakt, kunnen alleen RNA van een bepaalde volgorde of lengte reproduceren. Bovendien zijn deze RNA-moleculen zelf vrij complex, wat vragen doet rijzen over hoe ze gevormd kunnen zijn door de wil van een chemisch ongeval.
Nick Hud, een chemicus aan het Georgia Institute of Technology, en zijn collega's besloten verder te gaan dan de biologie en de mogelijke rol van chemie bij het ontstaan van leven te bestuderen. Misschien was er vóór de opkomst van de biologie een voorbereidende fase van het proto-leven, waarin alleen chemische processen een "buffet" van RNA en RNA-achtige moleculen creëerden. "Ik denk dat er nogal wat stappen waren die hebben geleid tot een zichzelf replicerend zichzelf in stand houdend systeem", zegt Hud.
In dit scenario kunnen spontaan verschillende RNA-achtige moleculen worden gevormd, waardoor de chemische bouillon tegelijkertijd veel van de details kan verzinnen die nodig zijn voor de ontwikkeling van leven. Proto-levensvormen experimenteerden met primitieve moleculaire engineering en haalden het stuk voor stuk uit elkaar. Het hele systeem werkte als een enorme verliefdheid. Pas toen zo'n systeem tot stand kwam, ontstond zelfreplicerend RNA.
De kern van Huds voorstel is de chemische manier om zo'n rijke verscheidenheid aan proto-leven te creëren. Computersimulaties laten zien dat bepaalde chemische omstandigheden een diverse verzameling RNA-achtige moleculen kunnen produceren. Het team test dit idee momenteel met echte moleculen in het laboratorium en hoopt binnenkort resultaten te presenteren.
De groep van Hud baant de weg voor een aantal onderzoekers die de traditionele hypothese van de RNA-wereld en zijn afhankelijkheid van biologische, in plaats van chemische, evolutie in twijfel trekken. In het traditionele model werd nieuwe moleculaire engineering gecreëerd met behulp van biologische katalysatoren - enzymen - zoals het geval is met moderne cellen. Tijdens de proto-levensfase van Hud konden talloze RNA- of RNA-achtige moleculen worden gevormd en veranderd met puur chemische middelen. "Chemische evolutie had kunnen helpen om een leven zonder enzymen te beginnen", zegt Hud.
Promotie video:
Hud en zijn collega's besloten verder te gaan en aan te nemen dat het ribosoom, het enige stukje biologische techniek dat tegenwoordig in alle levende wezens aanwezig is, volledig uit de chemie kwam. Dit is een ongebruikelijke manier om naar dingen te kijken, omdat velen geloven dat het ribosoom door biologie is geboren.
Als Huds team vormen van proto-leven kan creëren onder omstandigheden die mogelijk op de vroege aarde hebben bestaan, kan worden aangenomen dat chemische evolutie een veel belangrijkere rol heeft gespeeld bij het ontstaan van leven dan wetenschappers hadden verwacht. "Darwinistische evolutie is misschien voorafgegaan door een eenvoudigere vorm van evolutie", zegt Niels Lehman, een biochemicus aan de Portland University in Oregon.
Pre-Darwiniaanse wereld
Wanneer de meesten aan evolutie denken, komt de darwinistische evolutie voor de geest, waarin organismen met elkaar concurreren om beperkte bronnen en genetische informatie doorgeven aan hun nakomelingen. Elke generatie ondergaat genetische correcties en de meest succesvolle nakomelingen overleven om hun genen door te geven. Deze manier van evolutie heerst in het moderne leven.
Karl Woese, de beroemde bioloog die ons de moderne levensboom gaf, geloofde dat het darwinistische tijdperk werd voorafgegaan door een vroege levensfase, geregeerd door totaal verschillende evolutionaire krachten. Woese geloofde dat het bijna onmogelijk zou zijn voor een enkele cel om alles te krijgen wat hij nodig heeft om te leven. Daarom stelde hij zich een rijke verscheidenheid aan moleculen voor die betrokken zijn bij het gemeenschappelijke bestaan. In plaats van met elkaar te concurreren, deelden primitieve cellen moleculaire innovaties. Deze pre-darwinistische bouillon creëerde de ingrediënten die nodig zijn voor een complex leven en maakte de weg vrij voor de magnifieke menagerie die we vandaag op aarde zien.
Huds model neemt Woese's pre-darwinistische tijdvisie nog verder terug in de tijd en voorziet primitieve cellen van de chemische middelen om moleculaire diversiteit te creëren. De ene vorm van proto-leven zou een manier kunnen bedenken om de blokken te creëren die het nodig had om zichzelf te creëren, een andere zou een manier kunnen vinden om energie te krijgen. Dit model verschilt van de traditionele hypothese van de RNA-wereld door zijn afhankelijkheid van chemische in plaats van biologische evolutie.
In de wereld van RNA reproduceerden de eerste RNA-moleculen zichzelf met behulp van het ingebouwde enzym ribozym, dat is samengesteld uit RNA. In de wereld van Hud's proto-leven werd deze taak uitsluitend uitgevoerd door middel van chemische methoden. Het verhaal begint met een chemische soep van RNA-achtige moleculen. De meeste waren kort, omdat korte ketens zich hoogstwaarschijnlijk spontaan zouden vormen, maar er kunnen ook langere, complexe moleculen zijn. Hud's model beschrijft hoe langere moleculen kunnen worden gereproduceerd zonder de hulp van een enzym.
Hud gelooft dat in de prebiotische wereld de primaire RNA-bouillon regelmatige verwarmings- en koelcycli doormaakte en dik en stroperig werd. De warmte scheidde de gebonden RNA-paren, en de stroperige oplossing hield de moleculen een tijdje uit elkaar. Ondertussen zijn aan elke lange streng kleine RNA-segmenten van slechts een paar karakters vastgemaakt. Deze kleine segmenten werden geleidelijk aan elkaar genaaid en vormden een nieuwe RNA-streng die overeenkomt met de oorspronkelijke lange streng. Toen begon de cyclus opnieuw.
Chemische routes voor RNA-replicatie
In de loop van de tijd, terwijl de bouillon van een verscheidenheid aan RNA-achtige moleculen zich uitbreidde en groeide, verwierven sommigen van hen eenvoudige functies zoals metabolisme. Evenzo zouden pure chemische reacties moleculaire diversiteit kunnen produceren om een pre-Darwiniaanse hoorn des overvloeds van Woese proto-leven te creëren.
De groep van Hud is erin geslaagd de vroege stadia van het reproductieproces in het laboratorium te voltooien, hoewel ze nog niet hebben geleerd hoe ze korte segmenten moeten lijmen zonder hun toevlucht te nemen tot biologische hulpmiddelen. Als ze dit obstakel kunnen overwinnen, zullen ze een universele manier creëren om RNA te reproduceren.
Sommige wetenschappers betwijfelen echter of chemisch gemedieerde reproductie goed genoeg zal zijn om de pre-darwinistische wereld die Hud beschrijft, te reproduceren. "Ik weet niet of ik dat geloof", zegt Paul Higgs, een biofysicus aan de McMaster University in Hamilton, Ontario, die de oorsprong van het leven bestudeert. "Alles moet snel en nauwkeurig genoeg gebeuren om consistentie te creëren." Dat wil zeggen, dit proces moet sneller nieuwe RNA's produceren dan ze worden vernietigd, en nauwkeurig genoeg om bij benadering kopieën van sjabloonmoleculen te maken.
Chemische veranderingen alleen zijn niet voldoende om leven tot stand te brengen. De bouillon van het proto-leven had nog steeds een soort selectie nodig die ervoor zou zorgen dat nuttige moleculen zouden gedijen en zich zouden vermenigvuldigen. In hun model suggereert Hada's groep dat de eenvoudigste proto-enzymen kunnen zijn ontstaan en zich kunnen verspreiden, wat hun makers en de samenleving als geheel ten goede kwam. Een RNA-molecuul dat meer bouwstenen produceerde, kwam bijvoorbeeld zichzelf en zijn buren ten goede door hen van aanvullende grondstof voor reproductie te voorzien. Computersimulaties uitgevoerd door de groep van Hud toonden aan dat dit type molecuul goed wortel zou kunnen schieten. Degene die de bouillon verrijkt, is erg handig.
Ribosomale wortels
Een mogelijke glimp van de pre-darwinistische wereld is te zien in het ribosoom, een oud stuk van de moleculaire machinerie die ten grondslag ligt aan onze genetische code. Het is een enzym dat RNA, dat voor genetische informatie codeert, vertaalt in eiwitten die veel chemische reacties in onze cellen uitvoeren.
De ribosoomkern is samengesteld uit RNA. Dit maakt het ribosoom uniek - de overgrote meerderheid van enzymen in onze cellen bestaat uit eiwitten. Zowel de ribosomale kern als de genetische code zijn gemeenschappelijk voor alle levende wezens, wat hun bestaan aangeeft aan het begin van de evolutie van het leven, mogelijk zelfs voordat de darwinistische drempel werd overschreden.
Hud en zijn collega Lauren Williams, ook van Georgia Tech, wijzen naar het ribosoom als ondersteuning van hun theorie van de chemisch gedefinieerde wereld. In een paper dat vorig jaar werd gepubliceerd, legden ze een controversiële verklaring af: de kern van het ribosoom is ontstaan door chemische evolutie. En ze suggereerden ook dat het verscheen zelfs voordat het eerste zelfreplicerende RNA-molecuul verscheen. De ribosomale kern was misschien een succesvol experiment in chemische evolutie, zeggen ze. En nadat het wortel schoot in de pre-Darwiniaanse bouillon, overschreed het de darwiniaanse drempel en werd het een belangrijk onderdeel van al het leven.
Hun argument is gebaseerd op de relatieve eenvoud van de ribosomale kern, formeel bekend als het peptidyltransferasecentrum (PTC). De taak van de PTC is om aminozuren samen te stellen, de bouwstenen van eiwitten. In tegenstelling tot traditionele enzymen, die chemische reacties versnellen met 'slimme chemische trucs', werkt het als een droogmiddel. Hij haalt twee aminozuren over om zich te binden door simpelweg het watermolecuul te verwijderen. "Het is zo'n slechte manier om een reactie te stimuleren", zegt Lehman. "Eiwit-enzymen vertrouwen meestal op krachtigere chemische strategieën."
Lehman merkt op dat eenvoud waarschijnlijk aan macht voorafging in de vroegste levensfasen. “Als je nadenkt over de oorsprong van het leven, moet je eerst nadenken over eenvoudige chemie; elk proces van de eenvoudigste chemie is waarschijnlijk oud, zegt hij. 'Ik denk dat dit een overtuigender argument is dan het feit dat ze tot al het leven behoort.'
Ondanks sterk bewijs is het nog steeds moeilijk voor te stellen hoe de ribosomale kern kan zijn ontstaan als gevolg van chemische evolutie. Een enzym dat meer van zichzelf doet - zoals een RNA-replicator in de RNA-wereldhypothese - creëert automatisch een gesloten kringloop en verhoogt voortdurend zijn eigen productiviteit. Daarentegen produceert de ribosomale kern niet meer ribosomale kernen. Het produceert willekeurige ketens van aminozuren. Het is onduidelijk hoe dit proces de aanmaak van meer ribosomen zou moeten stimuleren.
Hud en zijn collega's speculeren dat RNA en eiwitten zich samen ontwikkelden, en wie erachter kwam hoe ze samen moesten werken, heeft het overleefd. Dit idee mist de eenvoud van de RNA-wereld, die het bestaan van een enkel molecuul veronderstelt dat tegelijkertijd informatie kan coderen en chemische reacties kan katalyseren. Maar Hud gelooft anders: het is de complexiteit die elegantie toevoegt aan het ontstaan van het leven.
"Ik denk dat er altijd een te grote nadruk is geweest op eenvoud, dat één polymeer beter is dan twee", zegt hij. “Het is misschien makkelijker om specifieke reacties te krijgen als de twee polymeren samenwerken. De polymeren konden vanaf het begin gemakkelijker samenwerken."
Gebaseerd op materiaal uit Quanta Magazine
