En præbiotisk vej til DNA

DNA kan være dukket op på Jorden tidligere, end man hidtil har antaget. LMU-kemikere ledet af Oliver Trapp viser, at en simpel reaktionsvej kunne have givet anledning til DNA-underenheder på den tidlige Jord.

Hvordan blev livets byggesten først dannet på den tidlige Jord? Endnu, kun delvist tilfredsstillende svar på dette spørgsmål er tilgængelige. Imidlertid, én ting er klar:Den biologiske udviklingsproces, der har givet anledning til mangfoldigheden af ​​liv på vores planet, må være gået forud af en fase med kemisk udvikling. I denne 'præbiotiske' fase, de første polymere molekyler, der var i stand til at lagre information og reproducere sig selv, blev tilfældigt samlet fra organiske forstadier, der var tilgængelige på den tidlige Jord. De mest effektive replikatorer udviklede sig efterfølgende til de makromolekylære informationsnukleinsyrer - DNA og RNA - som blev grundlaget for alle former for liv på vores planet.

I milliarder af år, DNA har været den primære bærer af arvelig information i biologiske organismer. DNA-strenge er opbygget af fire typer kemiske underenheder, og den genetiske information, den indeholder, er kodet i den lineære sekvens af disse 'nukleosider'. I øvrigt, de fire underenheder omfatter to komplementære par. Interaktioner mellem to strenge med komplementære sekvenser er ansvarlige for dannelsen af ​​den berømte dobbelthelix, og spiller en afgørende rolle i DNA-replikation. RNA har også vitale funktioner i replikationen af ​​DNA og i translationen af ​​nukleotidsekvenser til proteiner.

Hvilken af ​​disse to typer nukleinsyre kom først? Det enstemmige svar på det spørgsmål indtil nu var RNA. Plausible modeller, der forklarer, hvordan RNA-molekyler kunne være blevet syntetiseret fra precursorforbindelser i præbiotiske omgivelser, blev først foreslået for årtier siden, og har siden modtaget betydelig eksperimentel støtte. I øvrigt, dens konformationelle alsidighed gør det muligt for RNA både at lagre information og at fungere som en katalysator. Disse indsigter har ført til ideen om en 'RNA-verden', der gik forud for fremkomsten af ​​DNA, som nu er veletableret blandt specialister. Hvordan blev de første DNA-underenheder syntetiseret? Den generelt accepterede opfattelse er, at denne proces blev katalyseret af et enzym - et forholdsvis komplekst biomolekyle, hvis fremkomst ville have krævet millioner af års evolution.

Men nu har et hold af kemikere ledet af LMU's professor Oliver Trapp foreslået en meget mere direkte mekanisme til syntese af DNA-underenheder fra organiske forbindelser, der ville have været til stede i et præbiotisk miljø. "Reaktionsvejen er relativt enkel, " siger Trapp, hvilket tyder på, at det godt kunne være blevet realiseret i en præbiotisk setting. For eksempel, det kræver ikke variationer i reaktionsparametre, såsom temperatur. I Trapps eksperimenter, de nødvendige ingredienser er vand, en mildt alkalisk pH og temperaturer på mellem 40 og 70°C. Under sådanne forhold, tilstrækkelig høje reaktionshastigheder og produktudbytter opnås, med høj selektivitet og korrekt stereokemi.

Hver af de nukleosid-underenheder, der findes i DNA, består af en nitrogenholdig base og et sukker kaldet deoxyribose. Indtil nu, man troede, at deoxynukleosider kun kunne syntetiseres under præbiotiske forhold ved direkte at koble disse to - præformede - komponenter sammen. Men der var aldrig blevet foreslået nogen plausibel ikke-enzymatisk mekanisme for et sådant trin. Det væsentlige ved den nye vej, som Trapp forklarer, er, at sukkeret ikke er knyttet til basen i et enkelt trin. I stedet, det er bygget op på den præformede base af en kort sekvens af reaktionstrin, der involverer simple organiske molekyler såsom acetaldehyd og glyceraldehyd. Ud over, LMU-forskerne har identificeret en anden familie af mulige forstadier til DNA, hvor deoxyribose-delen er erstattet af et andet sukker.

Ifølge forfatterne af undersøgelsen, disse resultater tyder på, at de tidligste DNA-molekyler kunne være dukket op parallelt med RNA - for omkring 4 milliarder år siden. Det ville betyde, at DNA-molekyler dukkede op omkring 400 millioner år tidligere end tidligere antaget.