Neue Beweise für eine „RNA-Welt“

Charles Darwin beschrieb die Evolution als „Abstieg mit Modifikation“. Genetische Informationen in Form von DNA-Sequenzen werden kopiert und von einer Generation zur nächsten weitergegeben. Allerdings muss dieser Prozess auch einigermaßen flexibel sein, so dass im Laufe der Zeit geringfügige Variationen der Gene entstehen und neue Merkmale in die Population eingeführt werden können.

Aber wie hat das alles angefangen? Hätte in den Ursprüngen des Lebens, lange vor Zellen, Proteinen und DNA, eine ähnliche Evolution in einem einfacheren Maßstab stattgefunden? Wissenschaftler in den 1960er Jahren, darunter Salk Fellow Leslie Orgel, schlugen vor, dass das Leben mit der „RNA-Welt“ begann, einer hypothetischen Ära, in der kleine, fadenförmige RNA-Moleküle die frühe Erde beherrschten und die Dynamik der darwinistischen Evolution begründeten.

Neue Forschungen am Salk Institute liefern nun neue Erkenntnisse über den Ursprung des Lebens und liefern überzeugende Beweise, die die RNA-World-Hypothese stützen. Die Studie, veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) enthüllt ein RNA-Enzym, das genaue Kopien anderer funktioneller RNA-Stränge erstellen kann und gleichzeitig die Entstehung neuer Varianten des Moleküls im Laufe der Zeit ermöglicht. Diese bemerkenswerten Fähigkeiten legen nahe, dass die frühesten Formen der Evolution möglicherweise auf molekularer Ebene in RNA stattgefunden haben.

Die Ergebnisse bringen Wissenschaftler auch der Wiederherstellung von RNA-basiertem Leben im Labor einen Schritt näher. Durch die Modellierung dieser primitiven Umgebungen im Labor können Wissenschaftler direkt Hypothesen darüber testen, wie das Leben auf der Erde oder sogar auf anderen Planeten entstanden sein könnte.

„Wir verfolgen den Beginn der Evolution“, sagt der leitende Autor und Salk-Präsident Gerald Joyce. „Indem wir diese neuartigen Fähigkeiten der RNA aufdecken, decken wir die potenziellen Ursprünge des Lebens selbst auf und zeigen, wie einfache Moleküle den Weg für die Komplexität und Vielfalt des Lebens, die wir heute sehen, hätten ebnen können.“

Wissenschaftler können mithilfe von DNA die Evolutionsgeschichte von modernen Pflanzen und Tieren bis zu den frühesten einzelligen Organismen zurückverfolgen. Doch was davor geschah, bleibt unklar. Doppelsträngige DNA-Helices eignen sich hervorragend zur Speicherung genetischer Informationen. Viele dieser Gene kodieren letztendlich für Proteine ​​– komplexe molekulare Maschinen, die alle möglichen Funktionen ausführen, um Zellen am Leben zu erhalten.

Das Besondere an RNA ist, dass diese Moleküle beides können. Sie bestehen aus verlängerten Nukleotidsequenzen, ähnlich wie DNA, können aber auch als Enzyme fungieren, um Reaktionen zu erleichtern, ähnlich wie Proteine. Ist es also möglich, dass RNA als Vorläufer des Lebens, wie wir es kennen, diente?

Wissenschaftler wie Joyce erforschen diese Idee seit Jahren, mit besonderem Fokus auf RNA-Polymerase-Ribozyme – RNA-Moleküle, die Kopien anderer RNA-Stränge erstellen können.

Im letzten Jahrzehnt haben Joyce und sein Team im Labor RNA-Polymerase-Ribozyme entwickelt und dabei eine Form der gerichteten Evolution genutzt, um neue Versionen zu produzieren, die in der Lage sind, größere Moleküle zu replizieren. Die meisten haben jedoch einen schwerwiegenden Fehler: Sie sind nicht in der Lage, die Sequenzen mit ausreichend hoher Genauigkeit zu kopieren. Über viele Generationen hinweg werden so viele Fehler in die Sequenz eingebaut, dass die resultierenden RNA-Stränge nicht mehr der ursprünglichen Sequenz ähneln und ihre Funktion vollständig verloren haben.

Bis jetzt. Das neueste im Labor entwickelte RNA-Polymerase-Ribozym enthält eine Reihe entscheidender Mutationen, die es ihm ermöglichen, einen RNA-Strang mit viel höherer Genauigkeit zu kopieren.

In diesen Experimenten ist der kopierte RNA-Strang ein „Hammerkopf“, ein kleines Molekül, das andere RNA-Moleküle in Stücke spaltet. Die Forscher waren überrascht, als sie herausfanden, dass das RNA-Polymerase-Ribozym nicht nur funktionelle Hammerhaie genau nachbildete, sondern im Laufe der Zeit auch neue Variationen der Hammerhaie entstanden.

Diese neuen Varianten zeigten eine ähnliche Leistung, aber ihre Mutationen erleichterten ihre Replikation, was ihre evolutionäre Fitness steigerte und dazu führte, dass sie schließlich die Hammerhai-Population des Labors dominierten.

„Wir haben uns schon lange gefragt, wie einfach das Leben am Anfang war und als es die Fähigkeit erlangte, sich selbst zu verbessern“, sagt Erstautor Nikolaos Papastavrou, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor.

„Diese Studie legt nahe, dass der Beginn der Evolution sehr früh und sehr einfach gewesen sein könnte. Etwas auf der Ebene einzelner Moleküle könnte die darwinistische Evolution aufrechterhalten, und das könnte der Funke gewesen sein, der es dem Leben ermöglicht hat, komplexer zu werden, von Molekülen über Zellen bis hin zu gehen.“ mehrzellige Organismen.

Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Bedeutung der Replikationstreue für die Ermöglichung der Evolution. Die Kopiergenauigkeit der RNA-Polymerase muss einen kritischen Schwellenwert überschreiten, um vererbbare Informationen über mehrere Generationen hinweg aufrechtzuerhalten. Dieser Schwellenwert wäre mit zunehmender Größe und Komplexität der sich entwickelnden RNAs gestiegen.

Joyces Team stellt diesen Prozess in Laborreagenzgläsern nach und übt dabei einen zunehmenden selektiven Druck auf das System aus, um leistungsfähigere Polymerasen zu produzieren, mit dem Ziel, eines Tages eine RNA-Polymerase zu produzieren, die sich selbst replizieren kann. Dies würde den Beginn des autonomen RNA-Lebens im Labor markieren, das nach Ansicht der Forscher innerhalb des nächsten Jahrzehnts erreicht werden könnte.

Die Wissenschaftler sind auch daran interessiert, was sonst noch passieren könnte, wenn diese Mini-„RNA-Welt“ mehr Autonomie erlangt hat.

„Wir haben gesehen, dass Selektionsdruck RNAs mit einer bestehenden Funktion verbessern kann, aber wenn wir das System mit größeren Populationen von RNA-Molekülen länger entwickeln lassen, können dann neue Funktionen erfunden werden?“ sagt Co-Autor David Horning, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor. „Wir freuen uns darauf, die Frage zu beantworten, wie das frühe Leben mithilfe der hier bei Salk entwickelten Werkzeuge seine eigene Komplexität steigern kann.“

Die im Joyce-Labor verwendeten Methoden ebnen auch den Weg für zukünftige Experimente, die andere Ideen über den Ursprung des Lebens testen, einschließlich der Frage, welche Umweltbedingungen die RNA-Evolution sowohl auf der Erde als auch auf anderen Planeten am besten unterstützt haben könnten.