Modellierung der Entstehung des Lebens: Neue Beweise für eine “RNA-Welt”

Modellierung der Entstehung des Lebens: Neue Beweise für eine “RNA-Welt”

Salk-Wissenschaftler enthüllen RNA-Fähigkeiten, die die darwinistische Evolution auf molekularer Ebene ermöglichen, und bringen Forscher der Herstellung von autonomem RNA-Leben im Labor näher

LA JOLLA – Charles Darwin beschrieb die Evolution als "Abstammung mit Veränderung". Genetische Informationen in Form von DNA-Sequenzen werden kopiert und von einer Generation an die nächste weitergegeben. Aber dieser Prozess muss auch eine gewisse Flexibilität aufweisen, die es im Laufe der Zeit ermöglicht, leichte Variationen von Genen entstehen zu lassen und neue Merkmale in die Population einzuführen.

Aber wie hat das alles angefangen? Könnte in den Anfängen des Lebens, lange vor Zellen, Proteinen und DNA, eine ähnliche Art der Evolution in einem einfacheren Maßstab stattgefunden haben? In den 1960er Jahren schlugen Wissenschaftler, darunter Salk Fellow Leslie Orgel, vor, dass das Leben mit der “RNA-Welt” begann, einer hypothetischen Ära, in der kleine, fadenförmige RNA-Moleküle die frühe Erde beherrschten und die Dynamik der darwinistischen Evolution begründeten.

Neue Forschungsergebnisse des Salk Institute liefern nun neue Einblicke in den Ursprung des Lebens und präsentieren überzeugende Beweise zur Unterstützung der RNA-Welt-Hypothese. Die Studie, veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Am 4. März 2024 wird ein RNA-Enzym vorgestellt, das präzise Kopien anderer funktioneller RNA-Stränge herstellen kann und gleichzeitig die Entstehung neuer Varianten des Moleküls im Laufe der Zeit ermöglicht. Diese bemerkenswerten Fähigkeiten deuten darauf hin, dass die frühesten Formen der Evolution auf molekularer Ebene in der RNA stattgefunden haben könnten.

Die Erkenntnisse bringen Wissenschaftler auch einen Schritt näher daran, RNA-basiertes Leben im Labor nachzubilden. Durch die Modellierung dieser primitiven Umgebungen im Labor können Wissenschaftler Hypothesen darüber direkt testen, wie das Leben auf der Erde oder sogar auf anderen Planeten entstanden sein könnte.

"Wir jagen den Anfängen der Evolution hinterher”, sagt der Hauptautor und Salk-Präsident Gerald Joyce. "Durch die Aufdeckung dieser neuartigen Fähigkeiten der RNA enthüllen wir die potenziellen Ursprünge des Lebens selbst und wie einfache Moleküle den Weg für die Komplexität und Vielfalt des heutigen Lebens geebnet haben könnten."

Mit Hilfe der DNA können Wissenschaftler die Geschichte der Evolution von modernen Pflanzen und Tieren bis zu den frühesten Einzellern zurückverfolgen. Aber was davor war, bleibt unklar. Doppelstrangige DNA-Helices eignen sich hervorragend zur Speicherung genetischer Informationen. Viele dieser Gene kodieren letztlich für Proteine - komplexe molekulare Maschinen, die alle möglichen Funktionen ausführen, um die Zellen am Leben zu erhalten. Das Besondere an der RNA ist, dass diese Moleküle ein bisschen von beidem tun können. Sie bestehen aus verlängerten Nukleotidsequenzen, ähnlich wie die DNA, aber sie können auch als Enzyme fungieren, um Reaktionen zu erleichtern, ähnlich wie Proteine. Ist es also möglich, dass die RNA der Vorläufer des Lebens, wie wir es kennen, war?

Wissenschaftler wie Joyce erforschen diese Idee seit Jahren, wobei sie sich besonders auf RNA-Polymerase-Ribozyme konzentrieren - RNA-Moleküle, die Kopien von anderen RNA-Strängen herstellen können. In den letzten zehn Jahren haben Joyce und sein Team RNA-Polymerase-Ribozyme im Labor entwickelt und dabei eine Form der gezielten Evolution eingesetzt, um neue Versionen herzustellen, die größere Moleküle replizieren können. Die meisten haben jedoch einen fatalen Fehler: Sie sind nicht in der Lage, die Sequenzen mit ausreichender Genauigkeit zu kopieren. Über viele Generationen hinweg werden so viele Fehler in die Sequenz eingebaut, dass die entstehenden RNA-Stränge der ursprünglichen Sequenz nicht mehr ähneln und ihre Funktion völlig verloren haben.

Bis jetzt. Das neueste RNA-Polymerase-Ribozym, das im Labor entwickelt wurde, enthält eine Reihe entscheidender Mutationen, die es ihm ermöglichen, einen RNA-Strang mit viel höherer Genauigkeit zu kopieren.

Bei diesen Experimenten ist der zu kopierende RNA-Strang ein “Hammerkopf”, ein kleines Molekül, das andere RNA-Moleküle in Stücke spaltet. Die Forscher waren überrascht, dass das RNA-Polymerase-Ribozym nicht nur funktionale Hammerköpfe genau replizierte, sondern dass mit der Zeit auch neue Varianten der Hammerköpfe entstanden. Diese neuen Varianten funktionierten ähnlich, aber ihre Mutationen machten sie leichter zu replizieren, was ihre evolutionäre Fitness erhöhte und dazu führte, dass sie schließlich die Hammerhead-Population des Labors dominierten.

“Wir haben uns lange gefragt, wie einfach das Leben am Anfang war und wann es die Fähigkeit erlangte, sich selbst zu verbessern”, sagt Erstautor Nikolaos Papastavrou, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor. “Diese Studie legt nahe, dass die Anfänge der Evolution sehr früh und sehr einfach gewesen sein könnten. Etwas auf der Ebene einzelner Moleküle könnte die darwinistische Evolution aufrechterhalten, und das könnte der Funke gewesen sein, der es dem Leben ermöglichte, komplexer zu werden und sich von Molekülen über Zellen zu mehrzelligen Organismen zu entwickeln.”

Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Bedeutung der Replikationstreue für die Evolution. Die Kopiergenauigkeit der RNA-Polymerase muss einen kritischen Schwellenwert überschreiten, um die vererbbare Information über mehrere Generationen hinweg zu erhalten, und dieser Schwellenwert wäre mit zunehmender Größe und Komplexität der sich entwickelnden RNAs gestiegen.

Joyces Team stellt diesen Prozess in Laborreagenzgläsern nach und übt dabei einen zunehmenden Selektionsdruck auf das System aus, um leistungsfähigere Polymerasen zu erzeugen, mit dem Ziel, eines Tages eine RNA-Polymerase herzustellen, die sich selbst replizieren kann. Dies wäre der Beginn eines autonomen RNA-Lebens im Labor, das nach Ansicht der Forscher innerhalb des nächsten Jahrzehnts verwirklicht werden könnte.

Die Wissenschaftler sind auch daran interessiert, was sonst noch passieren könnte, wenn diese Mini-RNA-Welt“ mehr Autonomie erlangt hat.

“Wir haben gesehen, dass Selektionsdruck RNAs mit einer bestehenden Funktion verbessern kann, aber wenn wir das System länger mit größeren Populationen von RNA-Molekülen evolvieren lassen, können dann neue Funktionen erfunden werden”, sagt Koautor David Horning, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor. “Wir sind gespannt auf die Antwort, wie das frühe Leben seine eigene Komplexität mit Hilfe der hier in Salk entwickelten Werkzeuge steigern konnte.”

Die im Joyce-Labor angewandten Methoden ebnen auch den Weg für künftige Experimente, in denen andere Ideen über den Ursprung des Lebens getestet werden, z. B. welche Umweltbedingungen die RNA-Evolution sowohl auf der Erde als auch auf anderen Planeten am besten unterstützt haben könnten.

Die Arbeit wurde von der NASA (80NSSC22K0973) und der Simons Foundation (287624) unterstützt.

DOI: 10.1073/pnas.2321592121