Das Modell legt nahe, dass alte RNA die lebenswichtige Selbstschneidefähigkeit erlangt haben könnte

Wissenschaftler haben lange über die Anfänge des Lebens auf der Erde nachgedacht. Eine Theorie besagt, dass RNA, die in allen Lebensbereichen allgegenwärtig ist, im frühen Leben eine zentrale Rolle spielte. Ähnlich wie DNA besitzt RNA die Fähigkeit, genetische Informationen zu speichern. Um Lebensprozesse in Gang zu setzen, muss die frühe RNA jedoch auch die Fähigkeit besessen haben, sich selbst zu reproduzieren und biochemische Reaktionen unabhängig und ohne die Unterstützung spezialisierter Enzyme zu katalysieren.

Bisher war unklar, wie ein Molekül dieses Komplexes ohne Vorläufer entstehen könnte. In einer neuen Studie, veröffentlicht in eLifeAlexei Tkachenko, Physiker am Brookhaven National Laboratory, und Sergei Maslov (CAIM-Co-Leiter/CABBI), Professor für Bioingenieurwesen und Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign, Beschreiben Sie ihr Modell Das zeigt, wie ein solches Molekül an Funktionalität gewinnen könnte.

„RNA ist in allen Organismen sehr gut erhalten. Es ist also wie ein Beweis dafür, dass RNA einen zentralen Punkt im Leben hat“, erklärte Tkachenko. „Das Problem besteht darin, dass moderne RNA sehr fein abgestimmt und komplex ist. Deshalb wollten wir sehen, wie aus etwas viel Einfacherem Leben entstehen könnte.“

Während moderne RNA für die Replikation und katalytische Aktivität auf Enzyme angewiesen ist, bleibt der Ursprung dieser Enzyme selbst ein Rätsel. Die Entdeckung von Ribozymen, RNA-Molekülen mit enzymatischen Eigenschaften, legt jedoch einen plausiblen Weg für die Entstehung früher funktioneller Polymere nahe.

Die Herausforderung besteht darin, zu verstehen, wie diese alten RNA-Moleküle die Fähigkeit besitzen könnten, andere Moleküle zu „schneiden“, ein entscheidender Schritt im Replikationsprozess von DNA und RNA.

„Experimente haben gezeigt, dass ein Spaltungs-Ribozym, das für seine Aufgabe nur auf einer Handvoll konservierter Basen angewiesen ist, spontan und ohne vorherige Information entstehen kann, wenn der Experimentator künstlich Dinge auswählt, die andere Dinge schneiden“, sagte Tkachenko. „Das Problem ist, dass nicht klar ist, wie die Evolution etwas auswählen würde, das Dinge schneidet, im Wesentlichen ein zerstörerisches Enzym.“

Um diese Frage zu beantworten, entwickelten die Forscher ein Modell, das grundlegende RNA-Moleküle ohne enzymatische Aktivität simuliert. In diesem Modell wurde ein zufälliger Bindungsbruch zugelassen, der reale chemische Prozesse nachahmte. Die Forscher beobachteten, dass der Bruch zu mehr Kopien des gebrochenen Polymers führte, was bedeutet, dass Moleküle, die zur Selbstspaltung fähig waren, aufgrund ihrer Fähigkeit zur Replikation von der Evolution bevorzugt worden wären.

Maslov veranschaulichte dieses Konzept mit einer Analogie, indem er den Vorgang mit dem Halbieren eines Regenwurms verglich, wobei sich beide Hälften zu ganzen Organismen regenerieren.

„Wenn man aus einem Regenwurm viele Regenwürmer machen wollte, würde man im Prinzip einfach anfangen, sie einzeln zu schneiden“, erklärt Maslov. „Die gleiche Idee ist, warum das Schneiden bei RNA ausgewählt wird, denn wenn es geschnitten wird, wächst es aus einzelnen Bausteinen neu. Und das war der Zusammenhang, um zu erklären, warum das erste Ribozym zum Schneiden von Dingen ausgewählt wurde – denn Schneiden ist, wie RNA exponentiell wächst.“ wächst.“

Doch wie entsteht aus solch einfachen Anfängen eine katalytische Aktivität? In einem zweiten Modell zeigten die Forscher, wie sich RNA-Moleküle zu komplexen Ökosystemen mit funktionellen Eigenschaften entwickeln können, in denen sich verschiedene Polymere in diesen Ökosystemen spalten und gegenseitig replizieren.

Ihr Modell simulierte einen Pool von Polymerketten, die um Nukleotid-„Bausteine“ konkurrierten und andere Polymere zerschnitten, denen sie begegneten. Polymerketten paaren sich auf bestimmte Weise (z. B. die AT-Nukleotidpaarung in moderner DNA), und so bildeten die Ketten in der Simulation Matrizen und komplementäre Stränge, die im Wesentlichen zusammenarbeiten.

„Pairing-Regeln sind die Grundlage dafür, wie Informationen in Zukunft aufbewahrt und verbreitet werden“, sagte Maslov. „Und es ist auch wichtig für die Funktion, denn es bildet Haarnadeln in den Strähnen, die zu einer dreidimensionalen Form führen, und diese sind diejenigen, die zu enzymatischer Aktivität fähig sind.“

Die Polymerreplikation im Modell erfolgte auf der Grundlage von Temperaturzyklen zwischen heißen und kalten Phasen (typisch für Tag-Nacht-Zyklen), was darauf hindeutet, dass alte Polymere möglicherweise auf solche Zyklen angewiesen waren, um zu wachsen. Möglicherweise haben auch nichtorganische Oberflächen wie Steine ​​diesen Prozess erleichtert.

Diese Ergebnisse bieten überzeugende Einblicke in die natürliche Entstehung und Auswahl von Ribozymen mit enzymatischer Aktivität und werfen Licht auf einen entscheidenden Aspekt der frühen Lebensentwicklung. Die Forscher plädieren für eine experimentelle Validierung ihrer Modelle, um ihre Vorhersagen zu bestätigen.

Darüber hinaus erkennen sie die Diskrepanz zwischen bidirektionalem Wachstum in ihrem Modell und dem unidirektionalen Wachstum an, das bei der DNA- und RNA-Replikation im wirklichen Leben beobachtet wird. Alexei sagt, dass sie planen, das Modell weiter anzupassen, um zu sehen, ob sie Variationen finden können, die zu einem unidirektionalen Wachstum führen würden.

„Es ist kein Zufall, dass Carl Woese, nach dem unser Genominstitut benannt ist, Stücke ribosomaler RNA zur Herstellung seiner Lebensbäume verwendete“, sagte Maslov.

„RNA in Ribosomen ist für jeden einzelnen Organismus universell, von Bakterien über Archaeen bis hin zu Eukaryoten wie Ihnen und mir. Dieses Papier löst definitiv nicht das Problem der Entstehung des Lebens, aber es füllt eine kleine Lücke in unserem Verständnis darüber, wie früh RNA entstanden sein könnte hatte die Funktion, Leben hervorzubringen.“