Biochemiker streiten darüber, ob das Ende der RNA-Ära kommt

Seit Jahrzehnten nimmt die Theorie des Ursprungs des Lebens mit RNA in der Hauptrolle eine führende Position ein. Neue Forschungen könnten das Vertrauen in den Ursprung des Lebens auf der Grundlage dieser Theorie erschüttern.

Eine populäre Theorie besagt, dass das Leben aus einer chemikalienreichen Suppe stammt, in der sich RNA erstmals selbst zu reproduzieren begann. Eine Kombination von Peptiden und RNA kann jedoch wirksamer sein

Vor vier Milliarden Jahren, als sie in der prähistorischen chemischen Suppe der Erde kreisten, erschienen die ersten molekularen Vorläufer des Lebens. Obwohl die genaue Definition dieser Moleküle nach wie vor Gegenstand irritierter Debatten ist, sind sich die Wissenschaftler einig, dass diese Moleküle zwei Hauptaktionen ausführen müssen: Informationen speichern und chemische Reaktionen katalysieren. Moderne Zellen übertragen diese Kräfte jeweils auf DNA und ihre Proteine ​​- aber gemäß der populären Erklärung, die in modernen Studien zur Entstehung von Lebens- und Biologielehrbüchern vorherrschte, spielte RNA als erste diese Rolle und ebnete den Weg für DNA und Proteine, die diese Aufgaben später übernahmen.

Diese Hypothese, die in den 1960er Jahren vorgeschlagen und zwei Jahrzehnte später als „ RNA-Welt “ bezeichnet wurde, gilt heute als wahrscheinlichste Erklärung für den Beginn des Lebens. Es gibt auch genug alternative "Welten", aber sie werden normalerweise als Reservetheorien, illusorische Flüge der Phantasie und bizarre Gedankenexperimente betrachtet.

Hauptsächlich, weil die Hypothese der RNA-Welt durch eine große Anzahl experimenteller Beweise gestützt wird, die ihre Konkurrenten gewonnen haben. Letzten Monat berichteten wir über eine alternative Theorie , wonach proteinähnliche Moleküle anstelle von RNA die ersten sich selbst reproduzierenden Moleküle sein könnten. Diese Ergebnisse waren jedoch rein rechnerisch - dann begannen die Forscher gerade mit Experimenten auf der Suche nach Beweisen für ihre Aussagen.

Nun haben einige Forscher eine andere Theorie aufgestellt - diesmal mit der gemeinsamen Evolution von RNA und Peptiden -, die hoffentlich die Grundlagen der RNA-Welt erschüttern kann.

Warum RNA fehlte

Jüngste Veröffentlichungen in den Fachzeitschriften Biosystems und Molecular Biology and Evolution beschreiben schematisch Beweise dafür, dass die RNA-Welthypothese keine ausreichenden Beweise für nachfolgende evolutionäre Ereignisse liefert. Stattdessen, sagt Charles Carter , ein Strukturbiologe an der University of North Carolina, einer der Autoren der Arbeit, macht ihr Modell einen geeigneten Vorschlag. „Niemals könnte ein einziges Polymer alle Prozesse ausführen, die für das erforderlich sind, was wir heute als Teil des Lebens charakterisieren“, fügt er hinzu.


Charles Carter, Strukturbiologe, Universität von North Carolina

Und dieses einzelne Polymer konnte laut Studien seines Teams keine RNA sein. Der Hauptgrund für dieses Molekül ist die Katalyse : Einige Studien haben gezeigt, dass das mysteriöse Polymer in der Lage sein muss, die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu koordinieren, die mit Geschwindigkeiten von 20 bis 20 Größenordnungen variieren können, damit das Leben funktioniert. Selbst wenn RNA dies in der präbiologischen Welt irgendwie geschafft hätte, hätte sich ihre Fähigkeit als Katalysator an die Brenntemperaturen in der Größenordnung von 100 ° C anpassen müssen, die auf der frühen Erde vorherrschten. Als sich der Planet abzukühlen begann, konnte sich die RNA laut Carter nicht weiterentwickeln und die Synchronisation weiter aufrechterhalten. Eine Symphonie chemischer Reaktionen würde bald auseinanderfallen.

Höchstwahrscheinlich erklärt die Welt mit RNA allein nicht das Auftreten des genetischen Codes, den die überwiegende Mehrheit der lebenden Organismen heute verwendet, um genetische Informationen auf Proteine ​​zu übertragen. Der Code nimmt jede der 64 möglichen Trinukleotid-RNA-Sequenzen und kombiniert sie mit einer der 20 Aminosäuren, die zur Herstellung der Proteine ​​verwendet werden. Die Auswahl eines Regelwerks, das zuverlässig genug ist, um eine solche Aufgabe zu erfüllen, würde allein für die RNA zu viel Zeit in Anspruch nehmen, sagt Peter Wills, Co-Autor von Carter von der Auckland University in Neuseeland - wenn die RNA-Welt einen solchen Zustand erreichen könnte es scheint ihm unwahrscheinlich. Aus Wills 'Sicht könnte RNA ein Katalysator für ihre eigene Bildung werden, was sie "chemisch reflexiv" machen würde, aber es fehlte ihr "rechnerische Reflexivität".


Peter Wills, Biophysiker an der Auckland University in Neuseeland

"Ein System, das Informationen so verwendet, wie Organismen genetische Informationen verwenden - um ihre eigenen Komponenten zu synthetisieren - muss reflektierende Informationen enthalten", sagte Wills. Reflektierende Informationen sind per Definition solche Informationen, die "in das System codiert werden und Komponenten erzeugen, die diese bestimmte Decodierung ausführen". RNA aus der Hypothese der RNA-Welt sei eine einfache Chemie, weil sie ihre Chemie nicht kontrollieren könne. "Die RNA-Welt sagt nichts über Genetik aus", sagte er.

Die Natur musste einen anderen Weg finden, die beste Abkürzung zur Erstellung des genetischen Codes. Carter und Wills glauben, diese Abkürzung geöffnet zu haben. Es hängt von einer kleinen Rückkopplungsschleife ab, die nicht nur aus RNA wachsen würde, sondern aus einem Komplex von Peptiden und RNA hervorgehen könnte.

Peptide ins Geschäft bringen

Carter fand Mitte der 1970er Jahre Hinweise auf diesen Komplex, als er am Institut erfuhr, dass bestimmte Strukturen in den meisten Proteinen „Rechtshänder“ sind. Atome in Strukturen könnten auf zwei äquivalente Arten organisiert werden, die sich spiegelnd voneinander unterscheiden, aber alle Strukturen verwenden nur eine Methode. Die meisten Nukleinsäuren , aus denen DNA und RNA bestehen, sind ebenfalls Rechtshänder. Carter begann, RNAs und Polypeptide als komplementäre Strukturen zu betrachten und modellierte einen Komplex, in dem "sie wie eine Hand und ein Handschuh füreinander geschaffen wurden".

Dies impliziert die Möglichkeit der Elementarkodierung, die Grundlage für den Informationsaustausch zwischen RNA und Polypeptiden. Er arbeitete an Skizzen, wie dieser Prozess aussehen könnte, und extrapolierte sie aus einem modernen, viel komplexeren genetischen Code. Als die Hypothese, die 1986 als "RNA-Welt" bezeichnet wurde, an Popularität gewann, war Carter durch sein Eingeständnis ungeklärt. Es schien ihm, dass seine zehn Jahre zuvor vorgeschlagene Welt der Peptide und RNA völlig ignoriert worden war.

Seitdem haben er, Wills und andere an einer Theorie zusammengearbeitet, die zu dieser Studie zurückkehrt. Ihr Hauptziel war es, den einfachsten genetischen Code abzuleiten, der dem modernen, spezifischeren und komplexeren vorausgeht. Sie wandten sich daher nicht nur Berechnungen, sondern auch der Genetik zu.

Ihre Theorie basiert auf 20 "Last" -Molekülen, Aminoacyl-tRNA-Synthetasen . Diese katalytischen Enzyme ermöglichen es der RNA, gemäß den Regeln des genetischen Codes an bestimmte Aminosäuren zu binden. "In gewisser Weise ist der genetische Code auf die Merkmale der aktiven Punkte geschrieben", sagt Jenny Hofmeir, Biochemikerin an der Stellenbosch University in Südafrika, die nicht an der Studie beteiligt war.

Frühere Studien haben gezeigt, dass 20 Enzyme aufgrund ihrer Struktur und Sequenzen gleichermaßen in zwei Gruppen von 10 Stücken unterteilt werden können. Diese beiden Klassen von Enzymen haben bestimmte Sequenzen, die sich gegenseitig ausschließende Aminosäuren codieren - das heißt, diese Enzyme sollten aus den komplementären Ketten eines alten Gens hervorgegangen sein. Carter, Wills und Kollegen fanden heraus, dass in diesem Fall RNA-kodierte Peptide unter Verwendung eines Satzes von nur zwei Regeln (oder mit anderen Worten, zwei Arten von Aminosäuren) verwendeten. Die resultierenden Peptide behielten die gleichen Regeln bei, die den Übertragungsprozess regeln, was eine wichtige Rückkopplungsschleife für diese Theorie erzeugt.


RNA-Peptidwelt

Das Leben könnte aus der Wechselwirkung von RNA und Peptiden entstehen, die als erster genetischer Code fungierten. Eine sich selbst erhaltende Reaktionsschleife würde Enzyme erzeugen, indem nur zwei Arten von Aminosäuren anstelle der 20 Arten ausgewählt werden, die in modernen Proteinen zu finden sind.

1) "Load Enzyme" stimmen mit den Sequenzen der Basen in der RNA überein und helfen dabei, Peptidketten aus den gebundenen Aminosäuren der ersten (roten) und zweiten (grünen) Klasse zu bilden
2) Peptidketten falten sich in funktionelle Formen
3) Abhängig von der Form der Kette werden Aminosäuren der ersten oder zweiten Klasse ausgewählt und werden zu aktiven Ladungsenzymen.
4) Enzyme interagieren mit RNA und liefern Aminosäuren an die sich bildenden Ketten

Gödels Theorem und die Chemie des Lebens

Carter sieht viele Ähnlichkeiten zwischen dieser Schleife und der Schleife in der vom Philosophen und Mathematiker Kurt Gödel beschriebenen Mathematik, deren Unvollständigkeitssatz postuliert, dass Aussagen, die vom System selbst nicht bewiesen oder widerlegt werden können, notwendigerweise in jedem logischen System erscheinen. "Ich glaube, dass die Analogie zu Godels Theorem ein ziemlich starkes Argument für die Unvermeidlichkeit liefert", sagte Carter.

In jüngsten Arbeiten zeigen Carter und Wills, dass ihre Welt der RNA-Peptide Probleme mit Lücken in der Geschichte des Ursprungs des Lebens löst, die nur eine RNA nicht erklären kann. "Sie liefern zuverlässige theoretische und experimentelle Beweise dafür, dass RNA und Peptide von Anfang an an der Erzeugung des genetischen Codes beteiligt waren", sagte Hofmeir, "und dass sich der Stoffwechsel, die Erzeugung durch Kopieren, Übertragung und Reproduktion, gemeinsam entwickelt haben muss."



Natürlich beginnt das Carter-Wills-Modell mit einem genetischen Code, dessen Existenz komplexe chemische Reaktionen beinhaltet, zu denen Moleküle wie Transport-RNA und Ladeenzyme gehören. Die Forscher behaupten, dass in den Ereignissen vor ihrem vorgeschlagenen Szenario die Wechselwirkung von RNA und Peptiden beteiligt war. Diese Annahme lässt jedoch viele offene Fragen darüber offen, wie eine solche Chemie begann und wie sie aussah.

Um diese Fragen zu beantworten, gibt es viele Theorien, die weit über die Welt der RNA hinausgehen. Einige Wissenschaftler verfolgen sogar den entgegengesetzten Ansatz wie Carter und Wills: Sie glauben, dass die frühesten Stadien der Entwicklung des Lebens nicht unbedingt der heutigen Chemie ähneln. Doron Lancet , Genomforscher am Wizman Institute of Science in Israel, bietet eine alternative Theorie an, die auf dem Aufbau von Lipiden basiert, die den Ein- und Austritt verschiedener Moleküle katalysieren. Informationen werden nicht durch genetische Sequenzen übertragen, sondern durch Lipidzusammensetzungen.

Wie das Carter-Wills-Modell umfasst die Lancet-Idee nicht eine Art von Molekül, sondern eine große Anzahl von ihnen. "Es werden immer mehr Beweise gesammelt", sagt Lancet, "die diese alternative Hypothese bestätigen können." Bisher haben Wissenschaftler nicht entschieden, was genau an den Ursprüngen des Lebens passiert ist, aber anscheinend beginnen sie, sich von einer Geschichte zu entfernen, in der es ausschließlich eine RNA gab. "Wir müssen nur ein paar Eier in den RNA-Korb legen", sagte Hofmeir.