Die Entdeckung neuartiger primitiver Xeno-Nukleinsäuren als alternative genetische Polymere trägt zum Rätsel über den Ursprung des Lebens bei

Der chemische Ursprung des Lebens auf der Erde ist ein Rätsel, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten zu lösen versuchen. Es wurden viele Hypothesen aufgestellt, um zu erklären, wie Leben entstand und welche chemischen und Umweltfaktoren auf der frühen Erde dazu geführt haben könnten. Ein in einer Reihe dieser Hypothesen erforderlicher Schritt umfasst die abiotische Synthese genetischer Polymere – Materialien, die aus einer Folge sich wiederholender chemischer Einheiten bestehen und die Fähigkeit haben, Informationen durch Basenpaarungswechselwirkungen zu speichern und weiterzugeben.

Eine dieser Hypothesen ist die RNA-(Ribonukleinsäure-)Welthypothese, die auf diesem Konzept basiert und nahelegt, dass RNA das ursprüngliche Biopolymer des Lebens sowohl für die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen als auch für die Katalyse gewesen sein könnte. Studien haben jedoch ergeben, dass die RNA-Polymerisation ohne spezielle Umstände wie Lipid- oder Salz-unterstützte Synthese oder Mineraltemplatierung ohne chemische Aktivierung von RNA-Monomeren unter primitiven Austrocknungsbedingungen ineffizient gewesen wäre.

Obwohl dies die RNA-Welt-Hypothese nicht unbedingt weniger plausibel macht, waren primitive chemische Systeme sehr unterschiedlich und konnten unmöglich so sauber sein, dass sie nur RNA und Lipide enthielten, was darauf hindeutet, dass auch andere Formen der primitiven Nukleinsäurepolymerisation stattgefunden haben könnten.

Eine der Haupthypothesen besagt, dass möglicherweise eine andere Art von Nukleinsäure, die sogenannte „Prä-RNA“, der RNA auf der frühen Erde vorausgegangen sein könnte.

Ein potenziell vielversprechender Weg zur Untersuchung der Ursprünge genetischer Polymere besteht daher darin, sich nicht nur auf die Synthese von RNA unter präbiotisch plausiblen Bedingungen zu konzentrieren, sondern auch andere derzeit unbekannte Mechanismen der präbiotischen Synthese von Nicht-RNA-Nukleinsäuren (oder nukleinsäureähnlichen Polymeren) zu untersuchen ), die auf der frühen Erde existiert haben könnten, wie etwa die Copolymerisation von Monomeren alternierender Nukleosidanaloga mit Linkermolekülen.

Ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology unter der Leitung des Forschungswissenschaftlers Ruiqin Yi nahm sich der Aufgabe an, solche Copolymerisationen in einem nicht-RNA-basierten präbiotisch relevanten genetischen Polymerkandidaten zu untersuchen.

In ihrem jüngsten Durchbruch veröffentlicht in Chemische KommunikationDas Team untersuchte die alternierende Copolymerisation von Glykol-Nukleinsäure-Monomeren (GNA) mit substituierten und unsubstituierten Dicarbonsäuren (DCA) unter primitiven Trocknungsbedingungen, um sowohl lineare als auch verzweigte Xeno-Nukleinsäure-Copolymere herzustellen.

„Untersuchungen deuten darauf hin, dass mutmaßliche Prä-RNA-Moleküle aus Monomeren mit Linkern zusammengesetzt werden könnten, die möglicherweise dazu dienen, andere funktionelle Polymere zu verbinden, um makromolekulare Hybridstrukturen zu bilden“, erklärt Dr. Yi. „Diese zusätzliche chemische Interkonnektivität erhöht nicht nur die Komplexität der Polymere, sondern hat ihnen möglicherweise auch neue oder neue Funktionen verliehen. Eine solche Polymer-Co-Synthese kann möglicherweise dazu beitragen, den Ursprung primitiver genetischer Moleküle auf eine Zeit vor der enzymatischen Katalyse oder der RNA zurückzuführen.“ .“

Um die Co-Synthese von Polymeren zu untersuchen, wurden die GNA-Monomere N1-(2′,3′-Dihydroxypropyl)thymin (DHPT) oder N9-(2,3-Dihydroxypropyl)adenin (DHPA) (die die in beobachteten Thymin- und Adeninbasen enthalten) verwendet moderne DNA bzw. RNA) wurden mittels Dehydratisierungssynthese mit einer Reihe substituierter und unsubstituierter DCAs umgesetzt, um Esterbindungen zu bilden, die die GNA-Komponenten mit den DCA-Komponenten verbinden können.

Die synthetisierten Produktmoleküle wurden dann einer Matrix-unterstützten Laserdesorptions-Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-ToF-MS) unterzogen, um die Arten von Produkten zu analysieren, die möglicherweise hergestellt werden könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass Reaktionen mit unsubstituierten DCAs alternierende lineare Copolymere erzeugten, während Reaktionen mit substituierten DCAs sowohl lineare als auch verzweigte Copolymere erzeugten; In allen Fällen bestanden die Produkte aus einer polydispersen Population von Polymeren unterschiedlicher Länge.

Durch Variation der DCA- oder GNA-Zusammensetzung, der Temperatur oder des pH-Werts der Reaktion konnten Produkte unterschiedlicher Länge erhalten werden. Bei der Anwendung der MS/MS-Analyse zur „Sequenzierung“ der Produktpolymere zeigte sich, dass das DCA/GNA-Verhältnis den Grad der Verzweigung der Produkte beeinflusste; Höhere DCA/GNA-Verhältnisse führten zu stärkerer Verzweigung, während niedrigere Verhältnisse zu lineareren Polymeren führten.

Schließlich fand das Team auch heraus, dass die gemischte Reaktion von DHPT und DHPA mit ʟ-Weinsäure zur Bildung einer zufälligen Sequenz von Polymeren führte, die aus beiden Arten von Basen (Thymin und Adenin) besteht, die ihrerseits typischerweise Basenpaare bilden können. Diese Produkte deuten auf einen möglichen Weg für dieses System zur Bildung kurzkettiger Polymere hin, die zur Übertragung genetischer Informationen über Basenpaarung fähig sind, ähnlich wie RNA oder andere primitive Nukleinsäuren.

Die Ergebnisse dieser Forschung legen daher nahe, dass sowohl verzweigte als auch lineare GNA-DCA-basierte Xeno-Nukleinsäure-Copolymere auf der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen sein könnten, wenn der Bestand an präbiotischen organischen Molekülen eine vielfältige Zusammensetzung gehabt hätte, und dass es sich lediglich um Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung handelt könnte zu Unterschieden auf Bevölkerungsebene in der Häufigkeit verzweigter und linearer Informationspolymere geführt haben.

Beispielsweise hätten in Umgebungen mit weniger GNA-Monomeren im Vergleich zu DCA-Molekülen verzweigte Polymere dominiert, was mit globulären Protoenzymen auf der Basis hochverzweigter Polymere zusammenhängen könnte.

Umgekehrt hätte in Umgebungen mit mehr GNA-Monomeren im Vergleich zu DCA-Molekülen eine potenziell äußerst vielfältige Population linearer Polymere dominiert, die genetische Informationen speichern und weitergeben können, was zu einer weiteren Selektion und Evolution hätte führen können, die zu anderen neuen Funktionen oder Nukleinsäuren geführt hätte .

„Wir fanden heraus, dass nicht nur nicht-kanonische Xeno-Nukleinsäuren durch einfache Dehydrierung von zwei Arten reichlich vorhandener primitiver Moleküle (GNA und DCA) gebildet werden konnten, sondern auch, dass diese Polymere (die zwei Arten komplementärer Basen enthalten) nützliche Informationen hätten enthalten können.“ Speichereigenschaften. Wir sind jetzt dabei, tiefer in die potenziellen Funktionen dieser Copolymere einzutauchen und hoffen, weitere Antworten auf Fragen zu den Arten von Polymeren zu finden, die auf der frühen Erde existierten und funktionierten könnten“, schließt Dr. Yi .