dna

CRISPR: de genetische knutseldoos

Met de ontdekking van het bacterie-immuunsysteem CRISPR zijn onderzoekers gestuit op een zeer krachtige techniek om DNA te veranderen.

CRISPR: korte segmenten
Het veranderen van het DNA was tot voor kort een vrij moeizaam proces, dat gebruik maakte van recombinant virussen of, recenter, speciale eiwitten: ZnS en TALENS. Dat veranderde met de ontdekking en ontwikkeling van Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, afgekort CRISPR. We weten nog niet alles van CRISPR en de bijbehorende CAS enzymen, dus wat hieronder volgt is onvolledig.

CRISPR’s zijn korte segmenten herhaalde codes in het DNA van ongeveer 40% van de bekende bacteriën en 90% van de onderzochte archaea. Tussen deze segmenten bevinden zich DNA van een faag.

CRISPR beschermt bacteriën tegen fagen (hier afgebeeld). Naar nu blijkt, kan het ook uitstekend gebruikt worden om genen te vervangen.

Herkennen van fagen
Het bijbehorende enzym CAS9 herkent deze codes en knipt RNA en DNA op de plaats waar deze voorkomen. Als bijvoorbeeld een faag, een bacterievirus, zijn inhoud in een bacterie loost, en de code komt ook op het RNA of DNA van de faag voor, dan knipt CAS9 het DNA- (of RNA-) lint door op die plek. Dat betekent dan einde oefening voor deze faag, in plaats voor de bacterie.

Bacteriën ‘leren’ fagen herkennen door de enzymen CAS1 en CAS2. CAS1 bindt aan een willekeurig stuk vrijzwevend DNA, zoals dat van een faag, en kopieert een klein stukje van 12-48 baseparen over in het DNA van de bacterie, afgewisseld door een vaste reeks: een nieuwe CRISPR. Landt een volgende faag, dan kopieert CAS2 als een bezetene de CRISPR bibliotheek, knipt deze in kleine stukjes en koppelt deze stukjes aan CAS9-enzymen die, zodra het DNA matcht met een bekende faag, knippen. Omdat de CRISPR overerft, is de bacterie en al zijn nakomelingen tegen deze fagensoort opgewassen. Een Lamarckiaans overerfmechanisme dus. Totdat de faag zijn DNA verandert, zodat de CRISPR niet meer wordt herkend in het faag-DNA en het spelletje van voren af aan begint.

Knutselen aan genen nu gemakkelijker dan ooit
Prettig aan de verschillende CAS enzymen is dat ze geen onderscheid maken tussen het DNA van een faag of ander DNA. Je kan er dus ook zeer precies genen van bijvoorbeeld mensen mee knippen en plakken. In feite is dat al gebeurd, uiteraard met niet-levensvatbare embryo’s, en honderden andere soorten binnen alle grote domeinen van het leven. Als CRISPR codes van het desbetreffende gen bekend zijn, kan in principe elk van de meer dan tienduizend menselijke genen vervangen worden door een ander gen.

Het recept: je brengt op een streng RNA de code voor het CAS9-enzym, met daarvoor de CRISPR die codeert voor een bepaald gen, in in de gastheercel. Plus de code voor het nieuwe gen. De cel gaat dit kopiëren, het tot leven gewekte CAS9-enzym (dat van nature niet in menselijke cellen voorkomt) knipt het DNA voor en achter het gen door en de reparatiemechanismen in de cel plakken het ‘nieuwe’ gen op de plaats van het gat.

Kortom: we kunnen maar beter goed gaan nadenken over ethisch-genetische vraagstukken, voor je bij de lokale bouwmarkt een Doe Het Zelf Koter Bouwpakket kan bestellen.

Meer informatie
CRISPR gene editing

Video: sporen in DNA-code ontdekt van buitenaardse oorsprong?

Twee Kazachse onderzoekers publiceerden een gedurfde hypothese. Zij veronderstellen dat het leven op aarde van buitenaardse oorsprong is, en waarschijnlijk door een technisch gevorderde ‘schepper’ is verspreid. Hoongelach werd hun deel. Paul Davies analyseert hun claim, en gaat er dieper op in.

De Fermi Paradox staat nog steeds lijnrecht overeind. Als aliens bestaan, waarom zijn ze dan niet hier? Naar we nu weten, komen er honderden miljarden aardachtige planeten voor in alleen al de Melkweg. Een aanzienlijke fractie hiervan ligt in een bewoonbare zone.
Misschien zijn de methoden van de twee Kazachen onzinnig, het feit dát ze die vraag stelden, is uiterst bewonderenswaardig, en moet volgens Davies nagevolgd worden door andere disciplines. Niet alleen in het heden, ook in het verleden kunnen namelijk sporen zijn achtergebleven van buitenaardse bezoekers.

Video: De toekomst van de mens

Sinds het begin van het landbouwtijdperk is de mens veel sneller gaan evolueren, blijkt uit metingen aan de moleculaire DNA-klok. Welke richting gaan we op, als de evolutie doorgaat? Welke trends zijn te onderscheiden? Enkele opvallende en paradoxale uitkomsten in deze film.

Het is denk ik de vraag of deze voorspellingen uit gaan komen. Op dit moment is het technisch al mogelijk om je DNA te samplen en op je laptopje letter voor letter te veranderen. Waarschijnlijk zal de mens van de tokomst zwaar genetisch gemanipuleerd zijn, of zelfs niet meer een biologische basis hebben. Zeg nu zelf: wat heb je liever, een open harttransplantatie of even een pompje verwisselen?

De DNA Droom

Onderstaand artikel is ingestuurd door Paul.

Door een krantenartikel in de Leeuwarder courant op 20-12-2012, werd ik gewezen op een uitzending van Holland Doc op Ned-2 om 22.55. Hier heb ik naar gekeken. In deze documentaire zijn een stel jonge chinezen va 18 jaar bezig om de genetische code te ontcijferen van ons IQ. Hun stelling is dat het verbeteren van de mens slechts een kwestie van tijd is. In China bestaat veel minder weerstand tegen genetische manipulatie dan bij ons.

Er is een gen dat de kleur van onze ogen bepaalt en er zijn genen die erfelijke ziekten voorspellen. Wat nu als er straks ook een gen voor ons IQ blijkt te bestaan? Als we de code voor intelligentie, zoals die is vastgelegd in ons DNA, weten te ontcijferen, kunnen we dan slimmere mensen maken? Dit onderzoek gebeurd in het BGI, het grootste instituut voor genetisch onderzoek ter wereld dat aan de rand van Shenzhen staat. Het is een zelfstandig instituut, volledig onafhankelijk van de Chinese overheid, die op dit terrein weinig beperkingen oplegt. Het is hier (zeer) opvallend hoe een 18 jarige Zhao Bowen , die samen werkt met een jonge psychologe Yang Rui, de IQ test afneemt bij hoogbegaafde kinderen. Een haast ongelooflijk fenomeen.

Dubbele Helix van de Mens

Paradoxale gevoelens
Het onderwerp op zich roept bij mij paradoxale gevoelens op. Normaal gesproken ben ik vrij rationeel, tegen wat voor manipulatie dan ook. Daar het mijns inziens geen wetmatigheid heeft, daar bedoel ik mee, dat de gangbare natuurwetten het enige recht heeft op wetmatigheid en alles wat gemanipuleerd wordt niet. Laat duidelijk zijn dat in de wetenschap het wel een grote wetmatigheid heeft. Maar emotioneel heb ik niet meer of minder boter op mijn hoofd, dan wie dan ook.

Een voorbeeld: bij een zeer goede kennis van ons werd 3 jaar terug kanker vastgesteld. Ze hebben hem behandeld en kwam er een moment dat men dacht dat hij kanker vrij was. Niets was minder waar. Een half jaar geleden kwam de kanker terug. Laatst kwam zijn vrouw huilend en emotioneel beladen bij ons thuis, met haar verhaal dat het snel afgelopen kon zijn met hem. We zijn die zaterdagmorgen bij hem geweest. Zijn huid begon al gelig te kleuren, was al lichamelijk aan het interen ondanks dat zijn gezicht nog wat opgeblazen was. De pijn werd bestreden met morfine pleisters, daar hij niet over morfine kan mede in verband met overgeven. Die vrijdagavond dachten ze dat het gebeurd was met hem, maar in de loop van de nacht trok alles toch weer wat bij. Zijn enige hoop was nog om Kerst en Oud/Nieuw te vieren met zijn gezin, maar 1e kerstdag is hij overleden.

Emotioneel gesproken vraag ik me af, waarom is er met alle kennis en technologie nog steeds geen echte goede bestrijding tegen deze ziekte? Er wordt onderzoek naar gedaan in de vorm van manipulatie (zoals bijvoorbeeld deze nieuwste ontwikkeling), moet je dat willen? Dat is een vraag die een ieder voor zichzelf moet beantwoorden en beslissen. Zelf heb ik vastgelegd om me in te laten slapen.

IQ manipulatie
Terug naar het thema manipulatie. Ik zou het volgende willen voorleggen. Stel dat we over enkele decennia het vermogen hebben om ons IQ zodanig te manipuleren, dat we dan een generatie zouden ontwikkelen waarin de mens hoogbegaafd zou zijn. Wat voor verschil zou dat opleveren gezien de huidige generatie? Zouden we dan bv beter gewapend zijn tegen de elitaire machten, zouden er dan geen oorlogen meer zijn? Mijns inziens is het enige wat we doen de wet van het evolutieproces versnellen. Met andere woorden: je creeert een kunstmatige wereldbevolking en naar mijn idee zullen de wereldse problemen hiermee niet opgelost worden. Dat het onderwerp een uitdaging is dat begrijp ik nog wel, maar is het noodzakelijk? Nee. Maar zo denk ik, hoe denken de visionairen hierover?

Verdere verdieping:

Blauwdruk voor slimme mensen.

Voor een kijkje in de keuken van dit BGI (Chinees was moeilijk te lezen, vandaar de vertaling).

En hier de link naar het desbetreffende onderwerp.

DNA-boek bereikt oplage van 70 miljard

Meer exemplaren dan de bijbel, de Harry Potter cyclus en het Rode Boekje. Het boek Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves, zal pas 2 oktober 2012 uitkomen maar bestaat nu al in tientallen miljarden kopieën. Hoe bereik je als auteur een drie maal zo grote oplage als de top-100 best verkochte boeken aller tijden? Antwoord: je vertaalt je boek in de chemische letters die DNA uitmaken en de bacteriën die het DNA dragen, gaan zich vlijtig vermenigvuldigen. Smokkel je voortaan je bibliotheek als bacteriekolonie mee?

Jaar aan werelddata in vier gram DNA
Auteur George Church en zijn collega’s vertaalden het boek in DNA. Een gemiddeld boek bestaat uit 100.000 woorden, dus rond een miljoen bytes (1 MB), die op hun beurt weer rond twee miljoen baseparen vertegenwoordigen – de grootte van het genoom van een gemiddelde bacterie. Hierbij bereikte de groep de hoogste dichtheid van informatieopslag (meeste bytes per gram) ooit. Per kubieke millimeter wordt zo 5,5 petabyte opslag mogelijk. Dit is zo dicht dat de totale hoeveelheid informatie die in één jaar geproduceerd wordt, in slechts vier gram DNA opgeslagen kan worden. Aanvullend voordeel is dat DNA niet alleen erg dicht is,maar ook bij kamertemperatuur intact blijft. De alternatieven vereisen vaak zeer lage temperaturen of kostbare apparatuur. De auteur wilde oorspronkelijk bij elk boek een aantal bacteriën met de boek-code leveren maar besloten hier om ethisch redenen (voorkomen verspreiding genetisch gerecombineerde bacteriën in de omgeving) toch vanaf te zien.

Wel kost het nog veel tijd om DNA uit te lezen. Verwacht dus voorlopig geen DNA-lezer in plaats van een harde schijf (al worden DNA sequencers steeds sneller en betaalbaarder).

Levend archief
Voor lange-termijn opslag is DNA  wel heel interessant. Je zou bijvoorbeeld kunnen denken aan een DNA archief waarin we de complete menselijke geschiedenis opslaan. En die inbouwen in een overal aanwezig en onuitroeibaar organisme, een kakkerlak bijvoorbeeld. Dan zullen eeuwen nadat we ons als mensheid hebben uitgeroeid, nog steeds kakkerlakken rondlopen  met de menselijke geschiedenis als ballast in hun DNA.

DNA-boodschap van aliens?
Wat me, ik ben in de stemming, op de volgende visionaire gedachte brengt. Wat als een uitgestorven beschaving, of buitenaardse bezoekers, die boodschap in het DNA hebben achtergelaten van een overal aanwezige soort? Wat als die soort een bepaalde veelzijdige, nieuwsgierige en uitgesproken hebberige apensoort is, die nu zelfs tot op Antarctica voorkomt?

Bron
George M. Church, Yuan Gao, Sriram Kosuri, Next-Generation Digital Information Storage in DNA, Science, 2012, DOI: 10.1126/science.1226355

Virus maakte overgang van RNA naar DNA mogelijk

Rond de 4 miljard jaar geleden maakte het leven een enorme verandering door. De meeste genetici zijn het er over eens dat het leven begon met een soep van RNA. RNA is alleen niet erg stabiel, het valt in enkele etmalen uit elkaar, waardoor leven op basis van DNA een grote voorsprong heeft. De overgang van RNA naar DNA is echter nogal ingrijpend: beide nucleïnezuren kunnen niet rechtstreeks in elkaar vertaald worden. Nu, voor het eerst, hebben biologen een glimp opgevangen van hoe dit precies plaatsvond. Sterker nog: het proces dat toen plaatsvond, blijkt ook nu nog af en toe plaats te vinden.

Stond een retrovirus, de groep waartoe ook dit HIV virus behoort, aan de wieg van het DNA-gebaseerd leven?

Het DNA vertaalprobleem
Omdat RNA niet rechtstreeks in DNA kan worden vertaald, is er duidelijk een fundamenteel probleem voor organismen die van RNA op DNA willen overstappen. Al hun genetische informatie die in RNA is opgeslagen, is niet toegankelijk voor op DNA gebaseerd leven. Nu, voor het eerst, laat een opmerkelijk hybride RNA-DNA virus zien hoe dit proces plaats kan hebben gevonden. Ken Stedman, van Portland State University in Oregon, ontdekte het bij toeval toen hij de eencelligen bestudeerde die in een heet, zuur meertje in het Lassen Volcanic National Park. Hij filterde alle deeltjes ter grootte van een virus uit het water en bracht ongeveer 400 000 stukjes viraal DNA in kaart om te controleren wat zich daarin precies bevond.

RNA-gen in DNA
Hij trof iets zeer vreemds aan: een gen, in DNA-vorm, dat als twee druppels water leek op een gen voor een eiwitjas zoals dat in een RNA virus voorkomt. beschikken over het enzym RNA transcriptase, dat RNA ‘vertaalt’ in DNA, maar dit gen kwam niet van een retrovirus. Hoe was het gen van RNA naar DNA gesprongen? Stedmans student Geoff Diemer’s interesse werd gewekt en hij produceerde een volledige sequentie van het genoom van het vreemde virus. Naast het uit RNA afkomstige gen bleek het ook een gen voor DNA replicatie te bevatten, wat kenmerkend is voor een DNA virus.

Geen incident
RNA- en DNA-virussen zijn radicaal verschillend en hebben zich vermoedelijk al miljarden jaren geleden gesplitst. Een bizarre ontdekking dus. Stedman dacht dat ze een fout hadden gemaakt, maar een tweede sample gaf precies hetzelfde resultaat. Om uit te vinden of het hier om een eenmalige gebeurtenis ging, checkten Stedman en Diemer databases met viraal DNA. Ze ontdekten dat iets gelijksoortigs plaats had gevonden in meerdere monsters oceaanwater. Klaarblijkelijk kwamen de hybride virussen op meerdere plekken voor.  Deze ontdekking bewijst dat moderne virussen informatie kunnen combineren van de twee normaliter gescheiden genetische moleculen. Ook ondersteunt dit het idee dat het virussen waren die de overgang van RNA naar DNA mogelijk maakten.

Triootje van virussen
Stedmans en Diemers hybride virus is geen levend fossiel. De genen lijken sterk op de genen zoals deze in moderne RNA- en DNA-virussen voorkomen en volgens het team heeft de hybridisatie de afgelopen tien miljoen jaar plaatsgevonden. Welk proces was hier verantwoordelijk voor? Stedman vermoedt dat het virus zich gevormd heeft toen een DNA-virus, een RNA-virus en een retrovirus tegelijkertijd dezelfde cel infecteerden. Deze toevallige gebeurtenis kan er toe geleid hebben dat het reverse transcriptase enzym van het retrovirus per ongeluk een DNA-kopie maakte van een gen van het RNA-virus, waarna dit DNA-gen werd ingebouwd in het genoom van het DNA virus en de bizarre hybride ontstond. Al eerder werd gesuggereerd dat dergelijke virale superhybriden zich kondn vormen, maar Stedmans onderzoek is het eerte dat het mechanisme ook daadwerkelijk aantoont.

Zorgde een virus voor DNA?
Ongeveer vier miljard jaar geleden moet een vergelijkbaar proces plaats hebben gevonden, vermoeden collega’s. Virussen trekken zich weinig aan van soortgrenzen en zullen vermoedelijk met hun RNA transcriptase RNA-genen in DNA hebben vertaald.

De situatie vier miljard jaar geleden verschilde vermoedelijk echter nogal van de situatie nu. Anno 2012 dupliceren virussen zich alleen binnen cellen. Vermoedelijk bestonden er in die tijd geen afzonderlijke cellen zoals we die nu kennen. Toch bewijst het ontdekte mechanisme dat het mogelijk is om informatie van de RNA-wereld naar de DNA wereld over te hevelen. Iets dergelijks kan ook zijn gebeurd bij de overgang van RNA naar DNA gebaseerd leven.

Bron
First glimpse of the viral birth of DNA, New Scientist (2012)

 

Complete genoom mensachtige Denisovans nu bekend

Een genoom, de complete verzameling DNA van een organisme, van een 30 000 jaar oud vingerkootje afkomstig van een Denisovan, een uitgestorven nauwe verwant van de moderne mens, bevat minder fouten dan genomen afkomstig van levende mensen.

De Denisovans waren verwant van de moderne mens.

Het genoom is 7 februari 2012 online gepubliceerd [1]. De Denosovans zijn een uitgestorven groep hominiden, waarvan de overblijfselen in 2008 in Siberië werden ontdekt[2]. Uit voorlopige mt- (mitochondriaal) DNA bleek geen verwantschap met de mens. Een kladversie van het complete genoom werd ontdekt in 2010, waaruit bleek dat de Denisovans wel degelijk kruisten met de moderne mens [3].

Mt-DNA wordt overgeërfd met de eicel. Er lijken dus seksuele contacten met zowel mannen als vrouwen plaats te hebben gevonden (er zijn ook Denisovan-genen in Europese en Aziatische mensen die niet in Afrikanen voorkomen). Dit genoom is slechts twee keer gesampled, waardoor er nog  de nodige contaminatie in voorkomt. Deze is weggezuiverd in de nieuwste studie, waar het proces dertig maal over is gedaan. Pääbo wil deze gegevens gebruiken om vast te stellen of de Denisovans ooit door een genetische “bottle neck” zijn gegaan.

Bronnen

1. Max Planck Institut Leipzig
2. Krause et al., The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia, Nature (2010)
3. Breeding with Neanderthals helped humans go global, New Scientist (2011)

‘Voorganger van DNA en RNA ontdekt’

RNA is ouder dan DNA, denken de meeste evolutiebiologen. Maar wat kwam er voor RNA? Misschien een nieuw type nucleïnezuur: TNA.

DNA: biologisch geheugen
De ontdekking van DNA door Watson en Crick verklaarde veel raadsels. Zo is nu bekend waarom genetische eigenschappen nooit ‘verwateren’ (er zijn geen erwten die half-kreukzadig zijn) maar een binair karakter hebben. Elk gen bevindt zich op een sliert DNA, die is verbonden aan een aanvullende sliert: de bekende DNA helix. Toch kon DNA onmogelijk de oorsprong van het leven hebben gevormd. DNA op zichzelf kan biochemisch gezien namelijk vrijwel niets, behalve dan spontaan recombineren met een bijpassend stuk DNA.
Om DNA te ‘lezen’ bestaat er daarom een bonte menagerie aan enzymen, waaronder DNA transcriptase, dat DNA vertaalt in messenger-RNA. Dit messenger-RNA is de ‘blauwdruk’ waarmee uiteindelijk eiwitten worden gebouwd.

We weten vrijwel niets van de omgeving waarin het eerste leven zich gevormd heeft. Bron: NASA

‘RNA was voorganger DNA’
Een ander zeer essentieel onderdeel van een cel, dan dan ook in letterlijk elke levende cel voorkomt, is het ribosoom. Ribosomen bestaan opmerkelijk genoeg vrijwel geheel uit RNA (voluit: ribonucleïnezuur). Dit RNA leest stukken messenger-RNA en vertaalt deze, codon voor codon, in een eiwit.  RNA dat RNA leest en vertaalt. En: er zijn naast ribosomen ook andere ribozymen, enzymen dus die niet uit eiwit bestaan maar uit RNA. Dit maakt RNA een ijzersterke kandidaat voor het vooroudermolecuul. Pas in een later stadium ontstond DNA, als stabielere opslag voor informatie. Geen wonder dat de RNA-wereld hypothese veel aanhangers heeft. Het is verreweg de meest overtuigende hypothese.

Zwakke punten RNA-wereld hypothese
Toch kent ook de RNA-wereld hypothese zwakke plekken. RNA is weliswaar biologisch actief,maar het is ook chemisch instabiel. RNA blijft zelden langer dan een dag intact. Ter vergelijking: op dit moment worden er experimenten gedaan die tot doel hebben diepgevroren mammoeten, waarvan het DNA tienduizenden jaren oud is, weer tot leven te wekken. Er moet dus een mechanisme hebben bestaan om RNA te beschermen tegen afbraak. Of… misschien was er een ander op RNA lijkend molecuul dat niet te lijden had onder dit zwakke punt.
Een dergelijk molecuul is nu gevonden.

RNA bestaat uit suikers, die d.m.v. fosfaatgroepen aan elkaar zitten. Aan elke suiker zit een 'letter', een nucleobase, die de informatie draagt. Bron: Wikipedia

DNA, RNA… TNA
DNA en RNA bestaan uit een keten van nucleïnezuren. Chemisch gezien bestaan deze uit een suikermolecuul waaraan een variant van een koolstof-stikstofring (nucleobase) hangt. De nucleobases dragen de informatie, de suikermoleculen, met fosfaatgroepen aan elkaar gekoppeld, vormen de keten. Het verschil tussen DNA en RNA ligt in de suiker: deze is bij RNA ribose, bij DNA desoxyribose (ribose met een zuurstofatoom minder). Er zijn nog meer varianten, die alleen in het lab voorkomen. Een daarvan is TNA. Dit heeft threose (een andere suiker) in plaats van ribose of desoyribose.
Volgens John Chaput van Arizona State University in Tempe is het belangrijkste voordeel,evolutionair gesproken, dat threose een kleiner en simpeler molecuul  is dan ribose of deoxyribose, wat het makkelijker maakt om TNA te vormen.

TNA-enzym?
TNA blijkt ook een ander kunstje te beheersen waarvan tot nu toe werd aangenomen dat alleen RNA dit kon: zichzelf in een driedimensionale vorm opkrullen en zich aan een specifiek eiwit vastklampen, een noodzakelijke eerste stap om een chemische reactie te beïnvloeden. Chaput en zijn groep namen een bibliotheek van TNA’s en lieten ze evolueren in aanwezigheid van een eiwit. Na drie generaties ontstond een TNA-keten die een complexe opgevouwen structuur had en zich aan het eiwit kon binden.

Toch is de kans klein dat er iets als een TNA-wereld heeft bestaan. De chemische omgeving van de vroege aarde (of een andere plaats waar het leven is ontstaan) was zo chaotisch dat TNA niet uit zichzelf kon zijn ontstaan. In 2008 werd een onderzoek gepubliceerd waarin nucleïnezuren in een meteoriet werden beschreven, maar het ging hier slechts om bouwstenen van nucleïnezuren, niet de combintie van suiker + base  en tot overmaat van ramp was hun concentratie erg klein. Chaput denkt daarom dat er een grote variëteit aan nucleïnezuren is ontstaan en dat deze alle met elkaar interacteerden. Een reageerbuis zo groot als de aarde dus.

Mozaïek-nucleïnezuren
Volgens een andere studie, deze keer van Nobelprijswinnaar Jack Szostak van Harvard University en zijn groep, kunnen ook mozaiekmoleculen bestaande uit DNA en RNA zich aan bepaalde moleculen binden. Kortom: ook in een chaotisch mengsel zouden zich in principe enzymen kunnen vormen. Wel is er een uiterst sterk tegenargument. We hebben in geen enkel organisme andere nucleïnezuren aangetroffen dan DNA of RNA.
Wat niet wil zeggen dat dergelijke organismen niet denkbaar zijn op exoplaneten of in deep space. En we weten nog maar weinig van de biochemie van TNA. Immers, de technieken om deze moleculen te laten evolueren zijn erg nieuw, aldus Chaput. Bovendien: we weten nog veel minder van de exacte omstandigheden op aarde, meer dan vier miljard jaar geleden. Wie weet zijn er ook nucleïnezuren die specifiek geschikt zijn voor hogere of veel lagere temperaturen. Dit zou de mogelijkheden voor het ontstaan van leven fors vergroten.

Bron:
1. Before DNA, before RNA: Life in the hodge-podge world, New Scientist (2012)
2. J. Shostak et al., Evolution of functional nucleic acids in the presence of nonheritable backbone heterogeneity, PNAS, 2011
3. John C. Chaput et al., Darwinian evolution of an alternative genetic system provides support for TNA as an RNA progenitor, Nature Chemistry (2012)

Vier nieuwe regels in DNA-grammatica ontdekt

Al meer dan zestig jaar zijn er maar twee ‘grammaticale regels’ bekend in DNA. Onderzoekers hebben met een baanbrekende ontdekking nu vier extra gevonden.

Al langer was bekend dat DNA uit vier bouwstenen bestaat: adenine, guanine, thymine en cytosine. Direct aan de ontdekking van DNA ging de ontdekking van de eerste twee DNA-grammaticaregels vooraf. De Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff  ontdekte deze twee naar hem genoemde regels. Deze zijn: er is in DNA altijd precies evenveel adenine als thymine (plm. 30% elk) en guanine als cytosine (plm. 20% elk), maar de verhouding tussen adenine en guanine kan verschillen. Hierdoor slaagden Watson en Crick er in om de structuur van DNA op te helderen. DNA bestaat uit een dubbele spiraal, waarin er altijd een adenine tegenover een thyminemolecuul zit en een guaninemolecuul tegenover cytosine.

Chargaff ontdekte echter nog een tweede regel. Ook het meeste enkelvoudige DNA voldoet aan de 30:30:20:20 regel. We weten nog steeds niet waarom. Na deze twee ontdekkingen van Chargaff bleef het stil voor meer dan een halve eeuw. Tot een nieuwe ontdekking.

Michel Yamagishi van het Braziliaanse Applied Bioinformatics Laboratory en Roberto Herai van Unicamp in Sao Paulo, ook in Brazilië, zeggen dat ze hogere-orde patronen hebben ontdekt door verzamelingenleer te gebruiken. Hiermee leidden ze hogere-orde (ingewikkelder)  regels af uit de twee regels van Chargaff. Hiervoor deelden ze de DNA-reeksen in stukken van twee of drie baseparen in. Ook hierin moeten fractalpatronen voorkomen. Yamagishi and Herai vatten deze in vier vergelijkingen samen.

Het bleef niet alleen bij deze wiskundige afleiding: bij 32 soorten waarvan het complete DNA in kaart is gebracht (waaronder de mens) zochten ze deze fractalpatronen. Inderdaad vonden ze die ook. Hiermee wordt aangetoond dat ook deze korte reeksen nucleotiden (oligonucleotiden) niet-variante patronen vertonen bij vrijwel alle soorten. Dit is erg handig als een soort foutcontrole. Zijn de patronen verdwenen, dan is het in kaart brengen van DNA klaarblijkelijk niet zorgvuldig gebeurd.

Pas echt interessant is dat deze patronen bij twee soorten niet voorkwamen: het aidsvirus HIV en Xylella fastidiosa 9a5c, een micro-organisme dat perzikbomen aantast. Van HIV is bekend dat het extreem snel muteert, maar wat is de reden dat Xylella niet aan de regel voldoet?

Bron: 
Michel Yamagishi en Roberto Herai, Chargaff’s “Grammar of Biology”: New Fractal-like Rules, Arxiv.org (2011)

‘Leven begon als organisme zo groot als de aarde’

Volgens steeds meer biologen leefde er drie miljard jaar geleden een onsterfelijk superorganisme dat de oceanen van de aarde vulde: de voorouder van alle leven op aarde. Tot het superorganisme in drieën splitste.

Levende oceanen
De meest geliefde science fiction film onder wetenschappers ooit is Solaris, gebaseerd op een roman van SF-schrijver Stanislav Lem over een mysterieuze planeet waarvan de oceaan één enkele levende oceaan vormt. Lem blijkt over opmerkelijke profetische gaven te hebben beschikt. De aarde had drie miljard jaar geleden veel weg van een superorganisme.

Het oppervlak van de planeet Solaris uit de gelijknamige SF-roman van Stanislaw Lem bestaat uit een enkele levende oceaan. De aarde drie miljard jaar geleden had hier veel van weg.

DNA-computer produceerde levenvatbare cel
Alle leven op aarde bestaat uit cellen (virussen kunnen zich zonder cel niet vermenigvuldigen). Al deze cellen hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken, waardoor biologen vermoeden dat LUCA, voluit Last Universal Common Ancestor, zoals de laatste gemeenschappelijke voorouder heet onder evolutiebiologen, deze kenmerken ook had. Dit organisme, zo lijkt het, was niet één enkele cel maar bestond uit een levende oceaan. Een levende oersoep zo groot als een planeet, die zich uiteindelijk in de drie oerkoninkrijken van het leven splitste: bacteriën, archaeae en cellen met een celkern (waaronder die van mensen). De laatste onderzoeksresultaten versterken het beeld dat drie miljard jaar geleden cellen lukraak erfelijk materiaal uitwisselden om te overleven. Cellen concurreerden niet maar wisselden voortdurend DNA uit om zo aan nuttige onderdelen te komen. Hierdoor ontstond een wereldomvattend mega-organisme, een gigantische DNA- of RNA-computer met maar één opdracht: produceer een succesvolle, levensvatbare cel.

De Grote Splitsing van 2,9 miljard jaar geleden
2,9 miljard jaar geleden splitste LUCA in drieën: de al genoemde bacteriën, de bacterieachtige archaeae en eukaryoten: cellen met een celkern. Er bestaat nauwelijks fossiel bewijsmateriaal uit deze tijd en drie miljard jaar is zo lang dat door mutaties van genen uit die tijd niet meer veel is overgebleven. Gelukkig is er een andere methode. De functie van eiwitten hangt sterk af van hun structuur. Eiwitten hebben, denkt Gustavo Caetano-Anollés van de  University of Illinois at Urbana-Champaign, daarom een vorm die nauwelijks verandert. Dus hoewel de volgorde van aminozuren nu totaal anders is dan toen, hadden de eiwitten van LUCA ongeveer dezelfde vorm als ze in bacteriën, archaeae en eukaryoten hebben. En kunnen we daaruit afleiden wat LUCA ongeveer kon. Al kan er natuurlijk iets als parallelle evolutie hebben plaatsgevonden in alle drie groepen tegelijk. Ongeveer vijf tot elf procent van de structuren die hij in een database van 420 organismen vond, waren universeel, m.a.w. horen waarschijnlijk in LUCA thuis[1].

LUCA kon geen DNA maken en lezen
Caetano-Annolés ontdekte iets zeer vreemds. LUCA beschikte over veel enzymen, waaronder enzymen om energie uit voedingsstoffen te halen en om eiwitten te maken. Ook kon LUCA zowel koolstofverbindingen als nitraten als energiebron gebruiken. Ook had LUCA een bepaald type organel, een acidocalcisoom (dat komt namelijk in alle drie groepen van het leven voor, in een iets verschillende vorm). Echter, één ding ontbrak. Enzymen om DNA-moleculen te bouwen en te lezen. Klaarblijkelijk werkte LUCA niet met DNA, maar met iets heel anders. Hierbij komt nog een andere ontdekking. Onderzoeker Armen Mulkidjanian van de universiteit van Osnabrück in Duitsland ontdekte dat LUCA waarschijnlijk alleen ‘lekkende’ isopreenachtige membranen kon bouwen.

‘LUCA had RNA in plaats van DNA’
LUCA was waarschijnlijk een progenoot: een organisme zonder duidelijk genoom. Stukjes RNA zweefden in de cel en werden lukraak vertaald in eiwitten – dat laatste niet al te nauwkeurig. Pas lang na de splitsing ontstonden er biochemische systemen om het vertalen van genen in eiwitten foutloos te maken. Caetano-Anollés veronderstelt dat de eerste cellen hun genen en eiwitten moeten hebben gedeeld om te kunnen overleven. Nuttige genen explodeerden in aantal en verspreidden zich over de hele aardbol.

Wereldwijd genetisch internet
Een cel die zich afsloot voor dit biochemisch-genetische ‘internet’ was gedoemd uit te sterven, omdat de cel teveel fouten maakte. De lekkende membranen van LUCA vergemakkelijkten dit delingsproces. Ook nu nog zijn er gevallen bekend van totaal verschillende organismen die stukken DNA delen. Pas toen cellen geheel zelfvoorzienend werden, was het uitwisselsysteem niet meer nodig. Dit gebeurde rond de tijd dat de eerste sporen zuurstof in de atmosfeer ontstonden, 2,9 miljard jaar geleden.

Wat was de rol van virussen?
Dit roept een gedachte in me op. Ook nu nog zijn er (zeldzame) gevallen bekend van genen die van de ene soort naar de andere overspringen, van een grassoort naar een niet-verwante andere grassoort bijvoorbeeld. Hiervoor is een virus verantwoordelijk. Mogelijk waren er ook in die tijd al een vorm van virussen, die mee-evolueerden met LUCA. Zouden deze virussen zich hebben ontwikkeld uit het mechanisme waarmee LUCA genen uitwisselde?

Bronnen
1. Gustavo Caetano-Anollés en Kyung Mo Kim., The proteomic complexity and rise of the primordial ancestor of diversified life, BioMedCentral (2011)
2. New Scientist

Dutch