RNA is de voorloper van DNA, daar zijn de meeste biologen het wel over eens. Maar waar komt RNA nu vandaan? Misschien uit een natuurlijke RNA reactor die werd aangedreven door een temperatuursverschil, denken enkele onderzoekers. Ze bereikten opvallende resultaten.
Leven begon met RNA
DNA op zichzelf kan vrijwel niets. Alleen omdat er eiwitten bestaan die DNA kunnen vertalen in RNA (DNA transcriptases), functioneert DNA. DNA is niets anders dan een opslagmolecuul, waarvan stukken in RNA moeten worden overgeschreven voor er wat dan ook kan gebeuren. Het leven kan dus niet begonnen zijn met DNA.
RNA, net als DNA een keten van chemische letters (nucleotiden) kan echter meer.
Zo zijn er ribozymen, stukken RNA die werken als enzym. Het bekendste voorbeeld: ribosomen, die een stuk boodschapper-RNA vertalen in een eiwit. Tegelijkertijd kan RNA ook informatie dragen. Kortom: RNA heeft zeer goede papieren om het vooroudermolecuul te zijn (al is het veel minder stabiel dan DNA).
Maar waar komt RNA zelf vandaan? Enkele onderzoekers denken nu dat het antwoord hierop een RNA-reactor is. De bouwstenen van RNA hopen zich op in een kleine porie, aangedreven door een temperatuursverschil. RNA ketens kunnen bindingen vormen en hybridiseren, waardoor een zwakke vorm van informatieoverdracht kan plaatsvinden van het ene RNA molecuul naar het andere: RNA kan zichzelf dus enigszins kopiëren en de informatie in het RNA kan langer overleven dan het molecuul zelf intact blijft.
De RNA reactor diep op de zeebodem
The onderzoekers, Benedikt Obermayer, Hubert Krammer, Dieter Braun, en Ulrich Gerland van de Ludwig Maximilian Universität van München, hebben een model van een prebiotische RNA reactor ontwikkeld [1].Essentieel hierin zijn RNA replicators: stukken RNA die informatie van zichzelf naar een ander RNA molecuul kunnen overbrengen zodat de informatie zelfs overleeft als de oorspronkelijke moleculen uit elkaar zijn gevallen. Hier hebben de onderzoekers onderzocht hoe RNA replicators uit eenvoudige RNA reactors van miljarden jaren oud zijn ontstaan.
Hun simulatie laat zien dat een combinatie van eenvoudige fysische en chemische mechanismes het veel gemakkelijker kan maken dat een prebiotisch evolutionair systeem kan ontstaan, ongeveer zoals het RNA-wereld scenario zegt, aldus onderzoeker Gerland.
De wetenschappers gingen bij hun berekeningen uit van een onderzeese vulkanische bron waarin zich een RNA reactor vormde. Deze reactor bleek in staat tussen moleculen informatie uit te wisselen. De omgeving die ze zich hadden voorgesteld zijn poreuze rotsen op de zeebodem waar sterke temperatuursverschillen (het vulkanisme was vier miljard jaar geleden veel heftiger dan nu) thermische bronnen convectiestromen opwekten. Deze stromen transporteerden moleculen in de nauwe poriën. Door temperatuurvariaties hopen de RNA-bouwstenen zich op in een klein gebiedje en vormen door toeval verbindingen met elkaar. Door vouwen en hybridisatie vormen de polynucleotiden langere ketens, uiteindelijk lang genoeg om zich als volwaardig RNA te gedragen.
RNA valt vooral daar uit elkaar waar de bouwstenen niet gepaard zijn. Door dit effect ontstaat er een selectiedruk voor baseparen en neemt de complexiteit en levensduur van RNA moleculen toe. Een structuur die op die manier zou kunnen ontstaan is een ribozym-een RNA enzym dat dus echt biochemische bewerkingen uit kan voeren.
De computersimulaties lieten zien dat de RNA reactor een zwakke vorm van kopiëren mogelijk maakt. De RNA moleculen trokken nucleotiden aan waardoor er een tweede streng ontstond (hybridisatie) en kopieerden zichzelf op die manier. Bewijs van informatieoverdracht dook op toen sommige RNA volgordes veel langer dan verwacht bleven bestaan. Klaarblijkelijk slaagden ze er in hun informatie aan andere moleculen over te dragen voor ze uit elkaar vielen. Ook zijn RNA moleculen die gebonden zijn aan een ander stuk RNA veel stabieler. Omdat stabiele stukken RNA zich het meeste kopieerden, ontstond zo informatieoverdracht. Zodra zich echte ribozymen hebben gevormd uit een RNA reactor, dan kunnen ze een efficiënt zelfreplicerend systeem vormen in de vorm van een RNA replicator. De onderzoekers hopen dit in de toekomst in een experiment met echt RNA aan te kunnen tonen. Ze zijn al voorbereidingen hiervoor aan het treffen, aldus Gerland.
Bronnen
1. Benedikt Obermayer, et al. “Emergence of Information Transmission in a Prebiotic RNA Reactor.†Physical Review Letters 107, 018101 (2011)