Discovery booster teorien om, at liv på Jorden opstod fra RNA-DNA-blanding

Kemikere ved Scripps Research har gjort en opdagelse, der understøtter et overraskende nyt syn på, hvordan liv opstod på vores planet.

I en undersøgelse offentliggjort i kemitidsskriftet Angewandte Chemie , de demonstrerede, at en simpel forbindelse kaldet diamidophosphat (DAP), som sandsynligvis var til stede på Jorden før livet opstod, kunne have strikket kemisk sammen bittesmå DNA -byggesten kaldet deoxynukleosider i dele af primordialt DNA.

Fundet er det seneste i en række opdagelser, gennem de sidste mange år, peger på muligheden for, at DNA og dets nære kemiske fætter RNA opstod sammen som produkter af lignende kemiske reaktioner, og at de første selvreplikerende molekyler – de første livsformer på Jorden – var blandinger af de to.

Opdagelsen kan også føre til nye praktiske anvendelser inden for kemi og biologi, men dens vigtigste betydning er, at den behandler det ældgamle spørgsmål om, hvordan livet på Jorden først opstod. I særdeleshed, det baner vejen for mere omfattende undersøgelser af, hvordan selvreplikerende DNA-RNA-blandinger kunne have udviklet sig og spredt sig på den oprindelige Jord og i sidste ende udsået moderne organismers mere modne biologi.

"Dette fund er et vigtigt skridt i retning af udviklingen af ​​en detaljeret kemisk model for, hvordan de første livsformer opstod på Jorden, " siger seniorforfatter Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., lektor i kemi ved Scripps Research.

Fundet skubber også feltet for livets oprindelseskemi væk fra den hypotese, der har domineret det i de seneste årtier:"RNA World"-hypotesen hævder, at de første replikatorer var RNA-baserede, og at DNA først opstod senere som et produkt af RNA-livsformer.

Er RNA for klistret?

Krishnamurthy og andre har tvivlet på RNA World-hypotesen til dels, fordi RNA-molekyler simpelthen kan have været for "klæbrige" til at fungere som de første selvreplikatorer.

En streng af RNA kan tiltrække andre individuelle RNA -byggesten, som holder sig til det for at danne en slags spejlbillede-streng - hver byggesten i den nye streng binder sig til dens komplementære byggesten på originalen, "skabelon" streng. Hvis den nye streng kan løsne sig fra skabelonstrengen, og, ved samme proces, begynde at skabe skabeloner for andre nye tråde, så har den opnået den selvreplikation, der ligger til grund for livet.

Men mens RNA-strenge kan være gode til at skabe skabeloner for komplementære strenge, de er ikke så gode til at adskille fra disse tråde. Moderne organismer laver enzymer, der kan tvinge tvillingestrenge af RNA - eller DNA - til at gå hver til sit, dermed muliggør replikering, men det er uklart, hvordan dette kunne have været gjort i en verden, hvor enzymer endnu ikke eksisterede.

En kimærisk løsning

Krishnamurthy og kolleger har i nyere undersøgelser vist, at "kimære" molekylære strenge, der er dels DNA og dels RNA, muligvis har været i stand til at omgå dette problem, fordi de kan skabe komplementære tråde på en mindre klæbrig måde, der tillader dem at adskille relativt let.

Kemikerne har også vist i meget citerede artikler i de sidste par år, at de simple ribonukleosid- og deoxynukleosidbyggesten, af henholdsvis RNA og DNA, kunne være opstået under meget lignende kemiske forhold på den tidlige Jord.

I øvrigt, i 2017 rapporterede de, at den organiske forbindelse DAP kunne have spillet den afgørende rolle med at modificere ribonukleosider og samle dem i de første RNA -tråde. Den nye undersøgelse viser, at DAP under lignende forhold kunne have gjort det samme for DNA.

"Vi fandt, til vores overraskelse, at brug af DAP til at reagere med deoxynukleosider fungerer bedre, når deoxynukleosiderne ikke alle er ens, men i stedet er blandinger af forskellige DNA -bogstaver som A og T, eller G og C, som ægte DNA, " siger førsteforfatter Eddy Jiménez, Ph.D., en postdoktoral forskningsmedarbejder i Krishnamurthy-laboratoriet.

"Nu hvor vi bedre forstår, hvordan en primordial kemi kunne have lavet de første RNA'er og DNA'er, vi kan begynde at bruge det på blandinger af ribonukleosid og deoxynukleosid byggesten for at se, hvilke kimære molekyler der dannes - og om de kan selvreplikere og udvikle sig, " siger Krishnamurthy.

Han bemærker, at arbejdet også kan have brede praktiske anvendelser. Den kunstige syntese af DNA og RNA - for eksempel i "PCR"-teknikken, der ligger til grund for COVID-19-tests - svarer til en enorm global forretning, men afhænger af enzymer, der er relativt skrøbelige og dermed har mange begrænsninger. Robust, enzymfri kemiske metoder til fremstilling af DNA og RNA kan ende med at blive mere attraktive i mange sammenhænge, siger Krishnamurthy.