- Deel één: hoe maak je een cel -
- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel vier: de energie van protonen -
- Deel vijf: dus hoe creëer je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
Na de jaren zestig vielen wetenschappers die de oorsprong van het leven probeerden te begrijpen, in drie groepen. Sommigen van hen waren ervan overtuigd dat het leven begon met de vorming van primitieve versies van biologische cellen. Anderen geloofden dat het metabolische systeem de belangrijkste eerste stap was, terwijl anderen zich concentreerden op het belang van genetica en replicatie. Deze laatste groep begon erachter te komen hoe de eerste replicator eruit zou kunnen zien, ervan uitgaande dat hij van RNA was gemaakt.
Al in de jaren zestig hadden wetenschappers reden om te geloven dat RNA de bron van al het leven was.
In het bijzonder kan RNA iets doen dat DNA niet kan. Het is een enkelstrengs molecuul, dus in tegenstelling tot stijf, dubbelstrengs DNA, kan het zichzelf in een aantal verschillende vormen vouwen.
Net als bij origami was het vouwende RNA over het algemeen vergelijkbaar met eiwitten. Eiwitten zijn ook meestal lange ketens - alleen van aminozuren, geen nucleotiden - en hierdoor kunnen ze complexe structuren creëren.
Dit is de sleutel tot het meest verbazingwekkende vermogen van eiwitten. Sommige kunnen chemische reacties versnellen of "katalyseren". Dergelijke eiwitten staan bekend als enzymen.
Veel enzymen zijn te vinden in je darmen, waar ze complexe moleculen uit voedsel afbreken tot eenvoudige soorten suikers die je cellen kunnen gebruiken. Het zou onmogelijk zijn om zonder enzymen te leven.
Leslie Orgel en Frances Crick begonnen iets te vermoeden. Als RNA zich kan vouwen als een eiwit, kan het misschien enzymen vormen? Als dit waar zou zijn, dan zou RNA een origineel - en universeel - levend molecuul kunnen zijn, dat informatie opslaat, zoals nu het geval is, en reacties katalyseert, zoals sommige eiwitten doen.
Het was een geweldig idee, maar in tien jaar tijd heeft het geen enkel bewijs gekregen.
Promotie video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech is geboren en getogen in Iowa. Als kind was hij gefascineerd door gesteenten en mineralen. En al op de middelbare school keek hij naar de plaatselijke universiteit en klopte aan bij geologen met het verzoek om modellen van minerale structuren te laten zien.
Uiteindelijk werd hij echter biochemicus en concentreerde hij zich op RNA.
Begin jaren tachtig bestudeerden Cech en collega's van de Universiteit van Colorado in Boulder het eencellige organisme Tetrahymena thermophila. Een deel van zijn cellulaire machinerie omvat RNA-strengen. Cech ontdekte dat een enkel RNA-segment op de een of andere manier gescheiden was van de rest, alsof het met een schaar was uitgesneden.
Toen de wetenschappers alle enzymen en andere moleculen verwijderden die als moleculaire schaar zouden kunnen werken, werd RNA verder uitgescheiden. Dus vonden ze het eerste RNA-enzym: een kort stukje RNA dat zichzelf kan snijden uit de lange streng waarvan het deel uitmaakt.
Cech publiceerde de resultaten van zijn werk in 1982. Het jaar daarop ontdekte een andere groep wetenschappers een tweede RNA-enzym, "ribozyme" (afkorting van "ribonucleïnezuur" en "enzym", ook wel enzym genoemd). De ontdekking van twee RNA-enzymen na elkaar gaf aan dat er nog veel meer moeten zijn. En zo begon het idee om het leven te beginnen met RNA er solide uit te zien.
De naam van dit idee werd echter gegeven door Walter Gilbert van de Harvard University in Cambridge, Massachusetts. Als fysicus met een fascinatie voor moleculaire biologie, werd Gilbert ook een van de vroege voorstanders van het sequencen van het menselijk genoom.
In 1986 schreef Gilbert in Nature dat het leven begon in de "RNA-wereld".
De eerste fase van de evolutie, aldus Gilbert, bestond uit "RNA-moleculen die de katalytische activiteit uitoefenen die nodig is om zichzelf te assembleren tot een bouillon van nucleotiden." Door verschillende stukjes RNA aan elkaar te kopiëren en te plakken, kunnen RNA-moleculen nog nuttiger sequenties creëren. Ten slotte vonden ze een manier om proteïnen en proteïne-enzymen te creëren die zo nuttig bleken dat ze de RNA-versies grotendeels verdrongen en aanleiding gaven tot het leven dat we hebben.
RNA World is een elegante manier om een complex leven helemaal opnieuw op te bouwen. In plaats van te vertrouwen op de gelijktijdige vorming van tientallen biologische moleculen uit een oersoep, zou een 'één voor alles'-molecuul het werk kunnen doen.
In 2000 ontving de RNA-wereldhypothese een enorme hoeveelheid ondersteunend bewijs.
Het ribosoom maakt eiwitten aan
Thomas Steitz heeft 30 jaar de structuur van moleculen in levende cellen bestudeerd. In de jaren negentig wijdde hij zich aan zijn meest serieuze taak: het uitzoeken van de structuur van het ribosoom.
In elke levende cel zit een ribosoom. Dit enorme molecuul leest instructies in RNA en rangschikt aminozuren om eiwitten te maken. De ribosomen in uw cellen hebben het grootste deel van uw lichaam opgebouwd.
Het was bekend dat het ribosoom RNA bevatte. Maar in 2000 produceerde het team van Steitz een gedetailleerd beeld van de ribosoomstructuur, waaruit bleek dat RNA de katalytische kern van het ribosoom was.
Dit was belangrijk omdat het ribosoom van fundamenteel belang is voor het leven en tegelijkertijd erg oud is. Het feit dat deze essentiële machine op RNA was gebouwd, maakte de RNA-wereldhypothese zelfs nog plausibeler.
Aanhangers van de "RNA-wereld" zegevierden, en in 2009 ontving Steitz een deel van de Nobelprijs. Maar sindsdien beginnen wetenschappers te twijfelen. Vanaf het allereerste begin had het idee van een "RNA-wereld" twee problemen. Zou RNA echt alle functies van het leven alleen kunnen vervullen? Zou het zich op de vroege aarde kunnen hebben gevormd?
Het is dertig jaar geleden dat Gilbert de basis legde voor de "RNA-wereld", en we hebben nog steeds geen solide bewijs gevonden dat RNA alles kan doen wat de theorie ervan vereist. Het is een klein bekwaam molecuul, maar het kan misschien niet alles doen.
Een ding was duidelijk. Als het leven begon met een RNA-molecuul, dan moest RNA kopieën van zichzelf kunnen maken: het moest zichzelf repliceren, zichzelf repliceren.
Maar geen van de bekende RNA's kan zichzelf repliceren. DNA ook. Ze hebben een bataljon enzymen en andere moleculen nodig om een kopie of stuk RNA of DNA te maken.
Daarom begonnen aan het einde van de jaren tachtig verschillende wetenschappers aan een zeer quixotische zoektocht. Ze besloten om zelf een zelfreplicerend RNA te maken.
Jack Shostak
Jack Shostak van de Harvard School of Medicine was een van de eersten die deelnam. Als kind was hij zo gefascineerd door chemie dat hij een laboratorium begon in de kelder van zijn huis. Hij veronachtzaamde zijn eigen veiligheid en veroorzaakte zelfs een keer een explosie, waarna een glazen buis in het plafond werd gestoken.
Begin jaren tachtig hielp Shostak te laten zien hoe genen zichzelf beschermen tegen het verouderingsproces. Deze vrij vroege studie leverde hem uiteindelijk een stuk van de Nobelprijs op. Al snel bewonderde hij echter de RNA-enzymen van Cech. "Ik vond deze baan geweldig", zegt hij. "In principe is het heel goed mogelijk dat RNA zijn eigen reproductie katalyseert."
In 1988 ontdekte Cech een RNA-enzym dat een kort RNA-molecuul van 10 nucleotiden lang kan bouwen. Shostak besloot de ontdekking te verbeteren door in het laboratorium nieuwe RNA-enzymen te produceren. Zijn team creëerde een reeks willekeurige reeksen en testte of ze katalytische vermogens hadden. Daarna namen ze die sequenties, herwerkten ze en testten ze opnieuw.
Na 10 rondes van dergelijke acties produceerde Shostak een RNA-enzym dat de reactie zeven miljoen keer versnelde. Hij toonde aan dat RNA-enzymen heel krachtig kunnen zijn. Maar hun enzym kon zichzelf niet kopiëren, zelfs niet een klein beetje. Shostak liep dood.
Misschien begon het leven niet met RNA
De volgende grote stap werd in 2001 gezet door voormalig Shostak-student David Bartel van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Bartel maakte het R18 RNA-enzym dat op basis van een bestaande template nieuwe nucleotiden aan de RNA-streng zou kunnen toevoegen. Met andere woorden, hij voegde geen willekeurige nucleotiden toe: hij kopieerde de sequentie correct.
Hoewel het nog geen zelfreplicator was, maar al iets soortgelijks. R18 bestond uit een keten van 189 nucleotiden en kon op betrouwbare wijze 11 nucleotiden aan de keten toevoegen: 6% van zijn eigen lengte. Gehoopt werd dat een paar aanpassingen hem in staat zouden stellen een 189 nucleotideketen te bouwen - net als hijzelf.
Het beste is gedaan door Philip Holliger in 2011 van het Molecular Biology Laboratory in Cambridge. Zijn team creëerde een gemodificeerde R18 genaamd tC19Z die sequenties met een lengte tot 95 nucleotiden kopieerde. Dat is 48% van zijn eigen lengte: meer dan de R18, maar verre van 100%.
Een alternatieve benadering werd voorgesteld door Gerald Joyce en Tracy Lincoln van het Scripps Institute in La Jolla, Californië. In 2009 creëerden ze een RNA-enzym dat indirect repliceert. Hun enzym combineert twee korte stukjes RNA om een tweede enzym te creëren. Vervolgens combineert het de andere twee stukjes RNA om het oorspronkelijke enzym te creëren.
Gezien de beschikbaarheid van grondstoffen kan deze eenvoudige cyclus oneindig worden voortgezet. Maar enzymen werkten alleen als ze de juiste RNA-strengen kregen, wat Joyce en Lincoln moesten doen.
Voor veel wetenschappers die sceptisch staan tegenover de "RNA-wereld", is het gebrek aan zelfreplicerend RNA een fataal probleem met deze hypothese. RNA kan blijkbaar eenvoudigweg het leven niet nemen en beginnen.
Het probleem werd ook verergerd door het falen van chemici om vanaf nul RNA te creëren. Het lijkt een simpel molecuul vergeleken met DNA, maar het is buitengewoon moeilijk om het te maken.
Het probleem ligt in de suiker en de basis waaruit elke nucleotide bestaat. Je kunt ze allemaal apart doen, maar ze weigeren koppig mee te doen. Begin jaren negentig was dit probleem duidelijk geworden. Veel biologen hebben vermoed dat de hypothese van de "RNA-wereld", ondanks al zijn aantrekkelijkheid, misschien niet helemaal correct is.
In plaats daarvan was er misschien een ander type molecuul op de vroege aarde: iets eenvoudiger dan RNA, dat zichzelf zou kunnen oppikken uit de oersoep en zichzelf zou kunnen reproduceren. Ten eerste zou er dit molecuul kunnen zijn, dat vervolgens leidde tot RNA, DNA enzovoort.
DNA kan zich op de vroege aarde nauwelijks hebben gevormd
In 1991 bedacht Peter Nielsen van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken een kandidaat voor primaire replicators.
Het was in wezen een sterk gewijzigde versie van DNA. Nielsen behield dezelfde basen - A, T, C en G - gevonden in DNA - maar maakte de ruggengraat van moleculen die polyamiden worden genoemd, in plaats van suikers, die ook in DNA worden aangetroffen. Hij noemde het nieuwe molecuul polyamide nucleïnezuur, of PNA. Op een onbegrijpelijke manier is het sindsdien bekend geworden als een peptidenucleïnezuur.
PNA is nooit in de natuur aangetroffen. Maar het gedraagt zich bijna als DNA. De PNA-streng kan zelfs de plaats innemen van een van de strengen van het DNA-molecuul, en de basen zijn zoals gewoonlijk gepaard. Bovendien kan PNA in een dubbele helix draaien, zoals DNA.
Stanley Miller was geïntrigeerd. Zeer sceptisch over de RNA-wereld, vermoedde hij dat PNA een veel waarschijnlijkere kandidaat was voor het eerste genetische materiaal.
In 2000 leverde hij solide bewijsmateriaal. Hij werd toen al 70 en had verschillende beroertes gehad die hem naar een verpleeghuis konden sturen, maar hij gaf niet op. Hij herhaalde zijn klassieke experiment, dat we in het eerste hoofdstuk bespraken, dit keer met behulp van methaan, stikstof, ammoniak en water - en kreeg een PNA op polyamidebasis.
Dit suggereerde dat PNA, in tegenstelling tot RNA, zich op de vroege aarde had kunnen vormen.
Threose nucleïnezuur molecuul
Andere chemici hebben hun eigen alternatieve nucleïnezuren bedacht.
In 2000 maakte Albert Eschenmoser threose nucleïnezuur (TNK). Het is hetzelfde DNA, maar met een andere suiker aan de basis. TNC-ketens kunnen een dubbele helix vormen en informatie wordt in beide richtingen tussen RNA en TNK gekopieerd.
Bovendien kunnen TNC's zich vouwen tot complexe vormen en zelfs binden aan eiwitten. Dit geeft aan dat TNK kan werken als een enzym, zoals RNA.
In 2005 maakte Eric Megges een glycol-nucleïnezuur dat helixvormige structuren kan vormen.
Elk van deze alternatieve nucleïnezuren heeft zijn eigen voorstanders. Maar er zijn geen sporen van te vinden in de natuur, dus als het eerste leven ze echt gebruikte, moest het ze op een gegeven moment volledig verlaten ten gunste van RNA en DNA. Dit is misschien waar, maar er is geen bewijs.
Als gevolg hiervan bevonden de aanhangers van de RNA-wereld zich tegen het midden van de jaren 2000 in een dilemma.
Aan de ene kant bestonden er RNA-enzymen die een van de belangrijkste onderdelen van biologische engineering omvatten, het ribosoom. Goed.
Maar zelfreplicerend RNA werd niet gevonden en niemand kon begrijpen hoe RNA werd gevormd in de oersoep. Alternatieve nucleïnezuren zouden het laatste probleem kunnen oplossen, maar er is geen bewijs dat ze in de natuur bestonden. Niet zo goed.
De voor de hand liggende conclusie was dat de "RNA-wereld", ondanks zijn aantrekkelijkheid, een mythe bleek te zijn.
Ondertussen kreeg een andere theorie geleidelijk aan kracht sinds de jaren tachtig. Zijn aanhangers beweren dat het leven niet begon met RNA, DNA of ander genetisch materiaal. In plaats daarvan begon het met een mechanisme om energie te benutten.
Het leven heeft energie nodig om in leven te blijven
ILYA KHEL
- Deel één: hoe maak je een cel -
- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel vier: de energie van protonen -
- Deel vijf: dus hoe creëer je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
