Der Ursprung des Lebens in einer RNA-Tasche

Diese Geschichte beginnt vor mehreren Milliarden Jahren. Es gibt nur Chemie, keine Biologie – das heißt, es gibt viele chemische Verbindungen auf der Erde, aber Leben ist noch nicht entstanden. Dann erweist sich eine winzige molekulare RNA-Maschine inmitten unzähliger zufällig selbst zusammengesetzter chemischer Strukturen als perfekt geeignet, um Bindungen zwischen aktivierten Aminosäuren, den Bausteinen zukünftiger Proteine, herzustellen.

Es ist ein Wendepunkt in der Geschichte unseres Planeten: Die Synthese von Proteinen, lebensnotwendigen biologischen Molekülen, kann nun beginnen. Prof. Ada Yonath und ihr Team vom Weizmann Institute of Science glauben, dass sie diesen Moment im Labor nachgestellt haben und zeigen, wie es passiert sein könnte. Was die ursprüngliche Maschine zur Herstellung von Peptidbindungen betrifft, entdeckten sie, dass sie immer noch in praktisch jeder Zelle aller lebenden Organismen vorhanden ist, von Bakterien bis zu Pflanzen und Tieren, einschließlich uns selbst.

Die Theorie hinter dem Projekt des Teams wurde vor etwa 20 Jahren aus überraschenden Erkenntnissen geboren, die in Yonaths Labor im Zuge der Bestimmung der Struktur und Funktion des Ribosoms gemacht wurden – Forschungen, die ihr später den Nobelpreis für Chemie 2009 einbrachten. Das Ribosom führt einen der Kernprozesse des Lebens durch: die Herstellung von Proteinen basierend auf den Informationen in der DNA.

„Wir haben ein überraschendes Merkmal in der Struktur dieser Proteinherstellungsmaschine entdeckt“, sagt Dr. Anat Bashan, leitende Wissenschaftlerin in Yonaths Labor in Weizmanns Abteilung für chemische und strukturelle Biologie. „Das Ribosom ist ein riesiges Makromolekül, das überhaupt nicht symmetrisch ist; in seinem Herzen enthält es zwei halbsymmetrische Elemente, die zu einer Tasche zusammengefügt sind.“

Yonath sagt, dass sie „besonders von der Tatsache beeindruckt waren, dass diese Tasche in den Ribosomen aller Organismen zu finden ist. Und hier findet die ganze Aktion statt – hier finden alle Peptidbindungen statt, die die Kette verknüpfter Aminosäuren bilden, aus denen ein Protein besteht gebildet werden. Deshalb scheint diese grundlegende Maschinerie während der gesamten Evolution unverändert geblieben zu sein.“

Lernen Sie das Protoribosom kennen: So nennen die Wissenschaftler diese taschenartige Struktur. Sie stellten die Hypothese auf, dass das Protoribosom der Vorfahr aller modernen Ribosomen ist, eine uralte Maschine, die bis in die Zeit vor dem Leben zurückreicht. Im Vergleich zur Größe der Zelle ist das Protoribosom eher klein. Es besteht aus RNA-Molekülen mit etwa 120 Nukleotiden, etwa 60 für jede seiner beiden semisymmetrischen Komponenten, was weniger als 5 Prozent der Abmessungen des modernen Ribosoms ausmacht: etwa 4.500 Nukleotide bei Bakterien und fast 6.000 beim Menschen

So entfaltete sich das Szenario laut Yonath und ihrem Team:

Das Protoribosom entstand, als ein Bündel von RNA-Nukleotidketten, die sich selbst zu zwei halbsymmetrischen Wänden zusammenbauten, eine Tasche bildeten. Unzählige andere Strukturen müssen sich ungefähr zur gleichen Zeit versehentlich selbst zusammengesetzt haben, aber das Protoribosom überlebte, „ging viral“, wie es scheint, weil es nützliche Funktionen erfüllte und sich dank der intrinsischen Fähigkeiten der RNA selbst replizieren konnte.

Wenn zwei aktivierte Aminosäuren innerhalb dieser Tasche zufällig miteinander wechselwirkten, bildeten sie eine Bindung, die durch die vorherrschenden chemischen Bedingungen erleichtert wurde. Diese Aminosäuren sind möglicherweise auf der Erde entstanden oder, wie einige argumentieren, mit Asteroiden aus dem Weltraum gelandet, aber ihr Ursprung ist für unsere Geschichte irrelevant. Entscheidend ist, dass innerhalb des Protoribosoms zwei aktivierte Aminosäuren aneinander binden könnten. Später vereinte eine solche Bindung viele weitere Aminosäuren und verknüpfte sie zu einer Kette.

Das war der Beginn von Proteinen, von denen sich einige dann als nützlich erwiesen, um das Protoribosom selbst zu stabilisieren und zu stärken. Die Proteine ​​fügten der Struktur des Protoribosoms immer mehr hinzu und ermöglichten ihm, sich zu der ausgeklügelten Proteinfabrik zu entwickeln, die es heute ist. „Ein modernes Ribosom kann als Zwiebel beschrieben werden, mit dem Protoribosom in der Mitte, umgeben von weiteren Schichten, die während der Evolution hinzugefügt wurden“, sagt Yonath.

Mit der Zeit würde die Proteinproduktion effizient genug werden, um Ketten mit einer Länge von Tausenden von Aminosäuren zu bilden, und zwar gemäß den Anweisungen, die im genetischen Code geschrieben sind. Die Zehntausende von Proteinen im menschlichen Körper erfüllen alle unterschiedliche Funktionen, von Hormonen wie Insulin über Antikörper im Immunsystem bis hin zu strukturellen Bestandteilen von Zellen und Geweben wie Hämoglobin oder dem Kollagen der Haut. Und sie alle begannen mit den Bindungen, die einst zufällig innerhalb des Protoribosoms entstanden sind.

Ein paar Milliarden Jahre vorspulen. Die Theorie wurde durch Berechnungen, Schlussfolgerungen und Dimerisierungsexperimente gestützt, in denen die Wissenschaftler dimere RNA-Konstrukte schufen, die das vorgeschlagene Protoribosom nachahmten. Aber bis vor kurzem blieben die Grundsätze der Theorie, nun ja, weitgehend theoretisch. Jetzt haben die Wissenschaftler in einer neuen Studie, die von Postdoktorandin Dr. Tanaya Bose in Yonaths Labor geleitet wurde, experimentelle Unterstützung geleistet.

Bose und Kollegen machten sich daran, zu untersuchen, ob ein im Labor synthetisiertes Protoribosom ausreichend stabil wäre, um zu überleben und die vermutete Bindungsbildung durchzuführen, das heißt, sie wollten herausfinden, ob es dieser Aufgabe tatsächlich gewachsen wäre. Sie und die anderen Mitglieder von Yonaths Team erstellten ein Design für ein potenzielles Protoribosom, indem sie die taschenartigen Strukturen im Herzen mehrerer bakterieller Ribosomen analysierten. Bose präparierte diese protoribosomalen Konstrukte dann in einer Laborschale.

Als nächstes kam der entscheidende Schritt: die Prüfung, ob die taschenartigen Dimer-Konstrukte Bindungen zwischen Aminosäuren herstellen können. Nach dem Mischen der Konstrukte mit einer Lösung, die aktivierte Aminosäuresubstrate sowie verschiedene Salze und andere Reagenzien enthielt, unterzog Bose die Reaktionsprodukte einer Reihe von Tests, einschließlich einer Massenspektrometrieanalyse.

Zur Freude des Teams bewältigten die im Labor hergestellten synthetischen Protoribosomen diese Aufgabe. „Die Bildung von Peptidbindungen ist die wichtigste Aktivität in jeder Zelle, und wir haben gezeigt, dass sie innerhalb eines Protoribosoms stattfinden kann“, sagt Bose.

„Das vorgeschlagene Protoribosom könnte das fehlende Bindeglied zwischen einer RNA-dominierten Welt sein – einer Welt, die möglicherweise existiert hat, bevor Proteine ​​und DNA auftauchten – und dem Leben, das auf Proteinen und Nukleinsäuren basiert, wie wir es heute kennen“, sagt Bashan.

Die Studie wurde veröffentlicht in Nukleinsäureforschung.