Nye beviser viser, at de første byggesten i livet på Jorden kan have været mere rodet end tidligere antaget

Da Jorden blev født, det var noget rod. Meteorer og lynstorme bombarderede sandsynligvis planetens overflade, hvor intet undtagen livløse kemikalier kunne overleve. Hvordan liv blev dannet i denne kemiske kaos er et mysterium milliarder af år gammelt. Nu, en ny undersøgelse viser, at de første byggesten kan have matchet deres miljø, starter mere rodet end tidligere antaget.

Livet er bygget op af tre hovedkomponenter:RNA og DNA - den genetiske kode, der ligesom byggeledere, programmere, hvordan man kører og reproducerer celler – og proteiner, de arbejdere, der udfører deres instruktioner. Højst sandsynlig, de første celler havde alle tre stykker. Over tid, de voksede og replikerede, konkurrerer i Darwins spil om at skabe mangfoldigheden af ​​livet i dag:bakterier, svampe, ulve, hvaler og mennesker.

Men først, RNA, DNA eller proteiner skulle dannes uden deres partnere. En almindelig teori, kendt som "RNA World"-hypotesen, foreslår, at fordi RNA, i modsætning til DNA, kan selvreplikere, det molekyle kan være kommet først. Mens nyere undersøgelser opdagede, hvordan molekylets nukleotider - A, C, G og U, der danner dens rygrad - kunne være dannet af kemikalier, der var tilgængelige på den tidlige Jord, nogle videnskabsmænd mener, at processen måske ikke har været så ligetil en vej.

"For år siden, den naive idé om, at puljer af rene koncentrerede ribonukleotider kunne være til stede på den primitive jord, blev hånet af Leslie Orgel som 'den molekylære biologs drøm,' " sagde Jack Szostak, en nobelprismodtager, professor i kemi og kemisk biologi og genetik ved Harvard University, og en efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute. "Men hvordan relativt moderne homogent RNA kunne opstå fra en heterogen blanding af forskellige udgangsmaterialer var ukendt."

I et papir udgivet i Journal of the American Chemical Society , Szostak og kolleger præsenterer en ny model for, hvordan RNA kunne være opstået. I stedet for en ren sti, han og hans team foreslår en Frankenstein-lignende begyndelse, med RNA, der vokser ud af en blanding af nukleotider med lignende kemiske strukturer:arabino- deoxy- og ribonukleotider (ANA, DNA, og RNA).

I jordens kemiske smeltedigel, det er usandsynligt, at en perfekt version af RNA dannes automatisk. Det er langt mere sandsynligt, at mange versioner af nukleotider smeltede sammen for at danne patchwork-molekyler med bidder af både moderne RNA og DNA, såvel som stort set hedengangne ​​genetiske molekyler, såsom ANA. Disse kimærer, som den monstrøse hybridløve, ørne- og slangevæsner fra græsk mytologi, kan have været de første skridt mod nutidens RNA og DNA.

"Moderne biologi er afhængig af relativt homogene byggesten til at kode genetisk information, " sagde Seohyun Kim, en postdoc-forsker i kemi og førsteforfatter på papiret. Så, hvis Szostak og Kim har ret og Frankenstein-molekylerne kom først, hvorfor udviklede de sig til homogent RNA?

Kim satte dem på prøve:Han satte potentielle primordiale hybrider op mod moderne RNA, manuelt at kopiere kimærerne for at efterligne processen med RNA-replikation. Ren RNA, han fandt, er bare bedre - mere effektiv, mere præcis, og hurtigere - end dets heterogene modstykker. I en anden overraskende opdagelse, Kim fandt ud af, at de kimære oligonukleotider - som ANA og DNA - kunne have hjulpet RNA med at udvikle evnen til at kopiere sig selv. "Spændende nok, " han sagde, "nogle af disse variant-ribonukleotider har vist sig at være kompatible med eller endda gavnlige til kopiering af RNA-skabeloner."

Hvis den mere effektive tidlige version af RNA reproducerede sig hurtigere end dens hybride modstykker, over tid, det ville overbefolke sine konkurrenter. Det er, hvad Szostak-holdet teoretiserer, der skete i ursuppen:Hybrider voksede til moderne RNA og DNA, som derefter overgik deres forfædre og, til sidst, overtog.

"Der var ikke behov for en urpool af rene byggeklodser, " sagde Szostak. "Den iboende kemi af RNA-kopieringskemi ville resultere, over tid, i syntesen af ​​stadig mere homogene bits af RNA. Årsagen til dette, som Seohyun så tydeligt har vist, er, at når forskellige slags nukleotider konkurrerer om kopieringen af ​​en skabelonstreng, det er RNA-nukleotiderne, der altid vinder, og det er RNA, der bliver syntetiseret, ikke nogen af ​​de beslægtede typer nukleinsyrer."

Indtil nu, holdet har kun testet en brøkdel af de mulige varianter af nukleotider, der er tilgængelige på den tidlige jord. Så, som de første stykker rodet RNA, deres arbejde er kun lige begyndt.