Ny teori omhandler, hvordan livet på Jorden opstod fra det oprindelige møg

Livet på Jorden opstod i et intimt partnerskab mellem nukleinsyrerne (genetiske instruktioner for alle organismer) og små proteiner kaldet peptider, ifølge to nye artikler fra biokemikere og biologer ved University of North Carolina ved Chapel Hill og University of Auckland. Deres "peptid-RNA" hypotese modsiger den udbredte "RNA-verden" hypotese, som siger, at liv stammede fra nukleinsyrer og først senere udviklede sig til at omfatte proteiner.

De nye papirer - en ind Molekylærbiologi og evolution , den anden i Biosystems - viser, hvordan nyere eksperimentelle undersøgelser af to enzym-superfamilier overvinder de svære teoretiske spørgsmål om, hvor komplekst liv opstod på Jorden for mere end fire milliarder år siden.

"Indtil nu, det er blevet anset for at være umuligt at udføre eksperimenter for at trænge ind i genetikkens oprindelse, " sagde medforfatter Charles Carter, PhD, professor i biokemi og biofysik ved UNC School of Medicine. "Men vi har nu vist, at eksperimentelle resultater passer smukt sammen med 'peptid-RNA'-teorien, og så disse eksperimenter giver ret overbevisende svar på, hvad der skete i begyndelsen af ​​livet på Jorden."

De særlige egenskaber ved de forfædres versioner af disse enzymsuperfamilier, og det selvforstærkende feedback-system, de ville have dannet med de første gener og proteiner, ville have kickstartet tidlig biologi og drevet de første livsformer i retning af større mangfoldighed og kompleksitet, sagde forskerne.

Medforfatter Peter Wills, PhD, professor i fysik ved University of Auckland, sagde, "Sammenlignet med RNA-verden-hypotesen, det, vi har skitseret, er simpelthen et meget mere sandsynligt scenarie for livets oprindelse. Vi håber, at vores data og den teori, vi har skitseret i disse artikler, vil stimulere diskussion og yderligere forskning om spørgsmål, der er relevante for livets oprindelse."

De to videnskabsmænd er fuldt ud klar over, at RNA-verden-hypotesen stadig dominerer forskningen om livets oprindelse. "Den teori er så tillokkende og formålstjenlig, at de fleste mennesker bare ikke tror, ​​der er noget alternativ, " sagde Carter. "Men vi er meget sikre på, at der er."

Før der var liv på jorden, der var simple kemikalier. På en eller anden måde, de producerede både aminosyrer og nukleotider, der til sidst blev de proteiner og nukleinsyrer, der var nødvendige for at skabe enkeltceller. Og de enkelte celler blev til planter og dyr. Forskning i dette århundrede har afsløret, hvordan den oprindelige kemiske suppe skabte livets byggesten. Der er også udbredt videnskabelig konsensus om den historiske vej, hvormed celler udviklede sig til planter og dyr.

Men det er stadig et mysterium, hvordan aminosyrebyggestenene først blev samlet i henhold til kodede nukleinsyreskabeloner til de proteiner, der dannede alle cellers maskineri.

Den bredt accepterede RNA-verdensteori hævder, at RNA - det molekyle, der i dag spiller en rolle i kodningen, regulere, og udtrykker gener - ophøjet sig fra ursuppen af ​​aminosyrer og kosmiske kemikalier, til sidst at give anledning først til korte proteiner kaldet peptider og derefter til encellede organismer.

Carter og Wills hævder, at RNA ikke kunne kickstarte denne proces alene, fordi den mangler en egenskab, de kalder "refleksivitet". Den kan ikke håndhæve de regler, som den er lavet efter. RNA havde brug for peptider til at danne den refleksive feedback-loop, der er nødvendig for til sidst at føre til livsformer.

I hjertet af peptid-RNA-teorien er enzymer så gamle og vigtige, at deres rester stadig findes i alle levende celler og endda i nogle subcellulære strukturer, inklusive mitokondrier og vira. Der er 20 af disse ældgamle enzymer kaldet aminoacyl-tRNA-syntetaser (aaRS'er).

Hver af dem genkender en af ​​de 20 aminosyrer, der fungerer som proteiners byggesten. (Proteiner, betragtet som livets maskiner, katalysere og synkronisere de kemiske reaktioner inde i celler.) I moderne organismer, en aaRS forbinder effektivt sin tildelte aminosyre til en RNA-streng, der indeholder tre nukleotider, der er komplementære til en lignende streng i det transskriberede gen. aaRS'erne spiller således en central rolle i at omdanne gener til proteiner, en proces kaldet oversættelse, som er essentiel for alle livsformer.

De 20 aaRS-enzymer tilhører to strukturelt adskilte familier, hver med 10 aaRS'er. Carters nylige eksperimentelle undersøgelser viste, at de to små enzymforfædre til disse to familier blev kodet af modsatte, komplementære strenge af det samme lille gen. Enkelheden af ​​dette arrangement, med sin indledende binære kode på kun to slags aminosyrer, antyder, at det fandt sted i biologiens begyndelse. I øvrigt, den stramme, yin-yang indbyrdes afhængighed af disse to beslægtede, men meget forskellige enzymer ville have stabiliseret tidlig biologi på en måde, der gjorde den ordnede diversificering af livet, der fulgte, uundgåelig.

"Disse indbyrdes afhængige peptider og de nukleinsyrer, der koder for dem, ville have været i stand til at hjælpe hinandens molekylære selvorganisering på trods af de konstante tilfældige forstyrrelser, der rammer alle molekylære processer, " sagde Carter. "Vi tror, ​​at det er det, der gav anledning til en peptid-RNA-verden tidligt i Jordens historie, " sagde Carter.

Relateret forskning af Carter og UNC-kollega Richard Wolfenden, PhD, tidligere afsløret, hvordan den intime kemi af aminosyrer gjorde det muligt for de første aaRS-enzymer at folde ordentligt til funktionelle enzymer, og samtidig bestemme tildelingerne i den universelle genetiske kodningstabel.

"Håndhævelsen af ​​forholdet mellem gener og aminosyrer afhænger af aaRS'er, som i sig selv er kodet af gener og lavet af aminosyrer, " sagde Wills. "AaRS'erne, på tur, afhænger af det samme forhold. Der er en grundlæggende refleksivitet på arbejde her. Teoretikeren Douglas Hofstadter kaldte det en 'mærkelig loop'. Vi foreslår, at dette, også, spillede en afgørende rolle i biologiens selvorganisering, da livet begyndte på Jorden. Hofstadter hævdede, at refleksivitet giver den kraft, der driver væksten af ​​kompleksitet."

Carter og Wills udviklede yderligere to grunde til, at en ren RNA-biologi af nogen som helst betydning næppe var forud for en peptid-RNA-biologi. En grund er katalyse - accelerationen af ​​kemiske reaktioner, der involverer andre molekyler.

Katalyse er et nøgletræk ved biologi, som RNA ikke kan udføre med stor alsidighed. I særdeleshed, RNA-enzymer kan ikke uden videre justere deres aktiviteter til temperaturændringer, der sandsynligvis er sket, da jorden afkøles, og kan derfor ikke udføre den meget brede vifte af katalytiske accelerationer, som ville have været nødvendige for at synkronisere biokemien af ​​tidlige cellebaserede livsformer. Kun peptid- eller proteinenzymer har den slags katalytisk alsidighed, sagde Carter.

For det andet Wills har vist, at umulige forhindringer ville have blokeret enhver overgang fra en ren-RNA-verden til en protein-RNA-verden og videre mod livet.

"Sådan en stigning fra RNA til cellebaseret liv ville have krævet et ude af det blå udseende af et aaRS-lignende protein, der fungerede endnu bedre end dets tilpassede RNA-modstykke, " sagde Carter. "Den ekstremt usandsynlige hændelse ville have behøvet at ske ikke bare én gang, men flere gange - én gang for hver aminosyre i den eksisterende gen-proteinkode. Det giver bare ikke mening."

Dermed, fordi den nye Carter-Wills teori faktisk adresserer reelle problemer med livets oprindelse, som er skjult af hensigtsmæssigheden af ​​RNA-verden-hypotesen, det er faktisk en langt enklere beretning om, hvordan tingene sandsynligvis skete lige før livet på Jorden rejste sig fra ursuppen.