Den kemiske udvikling af DNA og RNA på den tidlige Jord

RNA var sandsynligvis det første informationsmolekyle. Nu, kemikere fra Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har påvist, at vekslen mellem våde og tørre forhold kunne have været tilstrækkelig til at drive den præbiotiske syntese af RNA-nukleosiderne, der findes i alle livets domæner.

Hvordan kan de kemiske strukturer, der giver de grundlæggende underenheder af RNA og DNA, være dannet ud fra simplere udgangsmaterialer for omkring 4 milliarder år siden? Under hvilke forhold kunne disse byggeklodser så være blevet forbundet til lange kæder, der koder information og udbreder den ved selvreproduktion? Mange mulige scenarier er blevet foreslået for den fase af kemisk udvikling, der gik forud for fremkomsten af ​​de første biologiske celler. Nu, forskere ledet af LMU-kemikeren professor Thomas Carell har udvidet disse modeller ved at demonstrere en plausibel rute for den præbiotiske syntese af de nukleosider, der udgør RNA's informationskomponenter.

Specifikt, Carell og hans kolleger har vist, at nukleosider kan dannes i en kontinuerlig proces ved at udsætte simple kemikalier for den slags fluktuerende fysiske forhold, der ville have hersket i geotermisk aktive områder præget af vulkansk aktivitet på den tidlige Jord. De begynder med en blanding af myresyre, eddikesyre, natriumnitrit og nogle få nitrogenholdige forbindelser, som alle tidligere har vist sig at danne sig fra endnu simplere forstadier under præbiotiske forhold. Reaktionsblandingen indeholdt også nikkel og jern, som findes i store mængder i jordskorpen. Drivkraften for de kemiske reaktioner leveres af udsving i temperatur og pH, sammen med våde/tørre cyklusser, såsom dem, der forekommer i nærheden af ​​periodisk aktive varme kilder eller i stærkt sæsonbestemte klimaer med skiftende perioder med nedbør og fordampning.

Kernen i processen er en række reaktioner, der giver anledning til forbindelser kaldet formamidopyrimidiner, som igen kan omdannes til de kanoniske puriner (adenosin og guanosin), der findes i RNA. I et papir udgivet sidste år, Carell og hans team beskrev først denne FaPy-vej som et muligt kemisk scenarie for den præbiotiske syntese af nukleosider. "Denne gang, vi begyndte ikke kun med enklere prækursorforbindelser, men valgte forhold, der ville forventes at herske i et plausibelt geologisk miljø, såsom hydrotermiske kilder på land, " forklarer Sidney Becker, en ph.d. studerende i Carells gruppe og førsteforfatter til undersøgelsen. Bladet er nu udkommet i Naturkommunikation .

De kanoniske purin-nukleosider fundet i RNA blev syntetiseret i de nye eksperimenter, sammen med en hel række af nært beslægtede molekyler. Endnu mere slående, alle de observerede modifikationer er kendt for at forekomme i RNA'er i alle tre livsdomæner - eukaryota (dyr og planter), bakterier og archaea - og er derfor væsentlige komponenter i funktionelle genetiske systemer. Derfor, de var højst sandsynligt allerede til stede i den sidste fælles stamfader af alle livsformer. Dette tyder på, at disse forbindelser må have været tilgængelige på den tidlige Jord, da den biologiske udvikling begyndte. Ja, forfatterne af det nye studie tyder på, at de ikke-kanoniske nukleosider kunne have spillet en afgørende rolle i den fase af kemisk udvikling, der gik forud for fremkomsten af ​​RNA-verdenen, et udtryk, der refererer til en hypotetisk periode, hvor RNA-molekyler menes at have fungeret som kemiske katalysatorer ud over at lagre genetisk information i primordiale celler. Set i dette lys, de RNA-modifikationer, der findes i nutidens organismer, repræsenterer molekylære fossiler, der er blevet ved med at deltage i vitale biologiske funktioner i milliarder af år.