RNA-Faltung bei niedrigen Temperaturen gibt Aufschluss über ursprüngliche Biochemie

Ribonukleinsäure (RNA) ist ein biologisches Molekül mit entscheidenden Funktionen in der Genetik von Organismen und spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Evolution des Lebens. Mit einer der DNA sehr ähnlichen Zusammensetzung ist RNA in der Lage, eine Vielzahl biologischer Funktionen zu erfüllen, die durch ihre räumliche Konformation bedingt sind, d. h. die Art und Weise, wie sich das Molekül in sich selbst faltet. Nun wurde in einem Artikel in der Zeitschrift Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften beschreibt zum ersten Mal, wie der Prozess der RNA-Faltung bei niedrigen Temperaturen eine neue Perspektive auf die ursprüngliche Biochemie und die Evolution des Lebens auf unserem Planeten eröffnen könnte.

Die Studie wurde von Professor Fèlix Ritort von der Fakultät für Physik und dem Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (IN2UB) der Universität Barcelona geleitet und umfasste auch die UB-Experten Paolo Rissone, Aurélien Severino und Isabel Pastor.

Neue Biochemie für RNA bei niedrigen Temperaturen

RNA entsteht durch die Verknüpfung von Ribosemolekülen (ein Monosaccharid) mit Phosphatgruppen, die an vier Arten von Stickstoffbasen binden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U). Sowohl die Basenabfolge als auch die dreidimensionale Struktur der RNA sind entscheidende Faktoren für die große Funktionsvielfalt, die das Molekül charakterisiert.

Das Team nutzte die mechanische Entfaltung von RNA, um die verschiedenen Formen, die RNA annimmt, wenn sie sich in sich selbst faltet, genau zu verstehen.

Fèlix Ritort, Leiter des Small Biosystem Lab am Institut für Festkörperphysik der UB, sagt: „Die gefalteten Strukturen biologischer Moleküle, von DNA über RNA bis hin zu Proteinen, bestimmen ihre biologische Wirkung. Ohne Struktur gibt es keine Funktion und ohne Funktion kein Leben.“

Die Studie zeigt, dass RNA-Sequenzen, die Haarnadelstrukturen bilden, beginnen, bei Temperaturen unter 20 °C neue, kompakte Strukturen anzunehmen.

„Alle untersuchten RNA-Moleküle weisen bei niedrigen Temperaturen unerwartete neue Strukturen auf“, bemerkt Ritort. „Wir haben einen Temperaturbereich zwischen +20°C und -50°C ermittelt. Unter +20°C beginnen Ribose-Wasser-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle zu spielen, und die maximale RNA-Stabilität wird bei +5°C erreicht, wo die Dichte von Wasser am höchsten ist. Unter 5ºC wird die neue RNA-Stabilität durch Ribose-Wasser-Wechselwirkungen bestimmt, bis -50ºC, wenn sich die RNA wieder entfaltet, was zum Phänomen der Kältedenaturierung führt.“

In dem Artikel wird die Hypothese vertreten, dass dieser Temperaturbereich universell und für alle RNA-Moleküle gleich ist, obwohl er durch die Sequenz und andere Umgebungsbedingungen wie Salz- und Säuregehalt des Mediums moduliert wird.

Diese RNA-Reihen sind einfache Strukturen, die durch die Bildung komplementärer Basenpaare stabilisiert werden, wobei Adenin an Uracil (AU) und Guanin an Cytosin (GC) bindet. Die Forscher glauben, dass diese neuen Strukturen „durch die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Ribose und Wasser entstehen, die genauso viel oder mehr wiegen als die Wechselwirkungen zwischen komplementären Basen in der RNA (AU und GC).“

„Tatsächlich“, fügt Ritort hinzu, „wird dieses Phänomen nur bei RNA beobachtet, nicht jedoch bei DNA, wo das Proton an der 2′-Position der Desoxyribose keine Wasserstoffbrücken mit Wasser bildet.“

Um zu ihren Schlussfolgerungen zu gelangen, verwendete das Team die Technik der optischen Pinzettenkraftspektroskopie, eine feine und präzise Technik zur Messung der molekularen Thermodynamik. Diese Technik hat es ermöglicht, Entropieänderungen und Wärmekapazität während der Faltung verschiedener RNAs zu messen.

Daher erkennt es bei etwa 20 °C eine Abnahme der Wärmekapazität des gefalteten Zustands, was auf eine Verringerung der Anzahl der Freiheitsgrade der gefalteten RNA hinweist (wahrscheinlich aufgrund des durch die Ribose-Wasser-Bindungen hervorgerufenen Effekts).

Über die traditionelle Sichtweise der RNA hinaus

Doch welche Auswirkungen könnte dieses Phänomen auf die Biochemie und die biologischen Funktionen der RNA haben? Zunächst ist festzustellen, dass die Dominanz der Ribose-Wasser-Wechselwirkungen eine Veränderung der bislang bekannten Regeln darstellt, die bestimmen, wie die RNA-Biochemie durch AU- und GC-Paarung und Base-zu-Base-Stapelungskräfte stabilisiert wird.

Der UB-Professor fügt hinzu: „Diese neue veränderte Biochemie, die wir in dem Artikel definieren, hat Auswirkungen auf Organismen, die kalte Regionen der Erde bewohnen (Psychrophile), von alpinen Regionen bis hin zu den tiefen Gewässern der Ozeane und arktischen Gebieten, bei Temperaturen unter 10ºC in der eutektischen Phase von Salzwasser.“

Über die spezifischen AU- und GC-Paarungsregeln hinaus „weist die neue, durch Ribose-Wasser-Wechselwirkungen bestimmte RNA-Biochemie auf die Existenz einer primitiven, groben Biochemie auf der Basis von Ribose und anderen Zuckern hin, die der der RNA selbst vorausging und die wir als süße RNA-Welt bezeichnet haben. Diese primitive Biochemie begann sich möglicherweise in kalten Umgebungen im weiten Weltraum zu entwickeln, höchstwahrscheinlich auf Himmelskörpern in der Nähe von Sternen und auf denen thermische Zyklen von Hitze und Kälte auftreten“, schlussfolgert Ritort.