Het modelleren van de oorsprong van het leven: nieuw bewijs voor een ‘RNA-wereld’

Het modelleren van de oorsprong van het leven: nieuw bewijs voor een ‘RNA-wereld’

Wetenschappers van Salk onthullen RNA-mogelijkheden die de darwinistische evolutie op moleculaire schaal mogelijk maken, en brengen onderzoekers dichter bij het produceren van autonoom RNA-leven in het laboratorium

LA JOLLA – Charles Darwin beschreef evolutie als ‘afstamming met modificatie’. Genetische informatie in de vorm van DNA-sequenties wordt gekopieerd en van generatie op generatie doorgegeven. Maar dit proces moet ook enigszins flexibel zijn, waardoor er in de loop van de tijd kleine variaties in genen kunnen ontstaan ​​en nieuwe eigenschappen in de populatie kunnen worden geïntroduceerd.

Maar hoe is dit allemaal begonnen? Had bij de oorsprong van het leven, lang vóór cellen, eiwitten en DNA, een soortgelijke evolutie op eenvoudiger schaal kunnen plaatsvinden? Wetenschappers uit de jaren zestig, waaronder Salk Fellow Leslie Orgel, stelden dat het leven begon met de ‘RNA-wereld’, een hypothetisch tijdperk waarin kleine, vezelige RNA-moleculen de vroege aarde regeerden en de dynamiek van de darwinistische evolutie bepaalden.

Nieuw onderzoek aan het Salk Institute biedt nu nieuwe inzichten over de oorsprong van het leven en presenteert overtuigend bewijs ter ondersteuning van de RNA World-hypothese. De studie, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) onthult op 4 maart 2024 een RNA-enzym dat nauwkeurige kopieën kan maken van andere functionele RNA-strengen, terwijl er in de loop van de tijd ook nieuwe varianten van het molecuul kunnen ontstaan. Deze opmerkelijke mogelijkheden suggereren dat de vroegste vormen van evolutie zich mogelijk op moleculaire schaal in RNA hebben voorgedaan.

De bevindingen brengen wetenschappers ook een stap dichter bij het opnieuw creëren van op RNA gebaseerd leven in het laboratorium. Door deze primitieve omgevingen in het laboratorium te modelleren, kunnen wetenschappers direct hypothesen testen over hoe het leven op aarde of zelfs op andere planeten is begonnen.

"We jagen het begin van de evolutie na", zegt senior auteur en president van Salk Gerard Joyce. "Door deze nieuwe mogelijkheden van RNA te onthullen, ontdekken we de potentiële oorsprong van het leven zelf, en hoe eenvoudige moleculen de weg hadden kunnen vrijmaken voor de complexiteit en diversiteit van het leven dat we vandaag de dag zien."

Wetenschappers kunnen DNA gebruiken om de geschiedenis van de evolutie te traceren, van moderne planten en dieren tot aan de vroegste eencellige organismen. Maar wat daaraan voorafging, blijft onduidelijk. Dubbelstrengige DNA-helices zijn ideaal voor het opslaan van genetische informatie. Veel van die genen coderen uiteindelijk voor eiwitten: complexe moleculaire machines die allerlei functies uitvoeren om cellen in leven te houden. Wat RNA uniek maakt, is dat deze moleculen een beetje van beide kunnen. Ze zijn gemaakt van uitgebreide nucleotidesequenties, vergelijkbaar met DNA, maar ze kunnen ook fungeren als enzymen om reacties te vergemakkelijken, net als eiwitten. Is het dus mogelijk dat RNA diende als de voorloper van het leven zoals wij dat kennen?

Wetenschappers als Joyce onderzoeken dit idee al jaren, met een bijzondere focus op RNA-polymerase-ribozymen – RNA-moleculen die kopieën kunnen maken van andere RNA-strengen. De afgelopen tien jaar hebben Joyce en zijn team in het laboratorium RNA-polymerase-ribozymen ontwikkeld, waarbij ze een vorm van gerichte evolutie gebruiken om nieuwe versies te produceren die grotere moleculen kunnen repliceren. Maar de meeste hebben een fatale fout: ze zijn niet in staat de reeksen met voldoende nauwkeurigheid te kopiëren. Gedurende vele generaties worden er zoveel fouten in de sequentie geïntroduceerd dat de resulterende RNA-strengen niet langer op de oorspronkelijke sequentie lijken en hun functie volledig hebben verloren.

Tot nu. Het nieuwste RNA-polymerase-ribozym dat in het laboratorium is ontwikkeld, bevat een aantal cruciale mutaties waardoor het een RNA-streng met veel grotere nauwkeurigheid kan kopiëren.

In deze experimenten is de RNA-streng die wordt gekopieerd een ‘hamerkop’, een klein molecuul dat andere RNA-moleculen in stukken splitst. De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat het RNA-polymerase-ribozym niet alleen nauwkeurig functionele hamerhaaien repliceerde, maar dat er in de loop van de tijd ook nieuwe varianten van de hamerhaaien ontstonden. Deze nieuwe varianten presteerden vergelijkbaar, maar door hun mutaties waren ze gemakkelijker te repliceren, waardoor hun evolutionaire geschiktheid toenam en ze uiteindelijk de hamerhaaienpopulatie van het laboratorium gingen domineren.

“We hebben ons lang afgevraagd hoe eenvoudig het leven was in het begin en toen het de mogelijkheid kreeg om zichzelf te verbeteren”, zegt eerste auteur Nikolaos Papastavrou, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Joyce. “Deze studie suggereert dat het begin van de evolutie heel vroeg en heel eenvoudig had kunnen zijn. Iets op het niveau van individuele moleculen zou de Darwinistische evolutie in stand kunnen houden, en dat zou de vonk kunnen zijn geweest die ervoor zorgde dat het leven complexer werd, van moleculen naar cellen en naar meercellige organismen.”

De bevindingen benadrukken het cruciale belang van replicatiegetrouwheid bij het mogelijk maken van evolutie. De kopieernauwkeurigheid van het RNA-polymerase moet een kritische drempel overschrijden om erfelijke informatie over meerdere generaties te behouden, en deze drempel zou zijn gestegen naarmate de zich ontwikkelende RNA's in omvang en complexiteit toenamen.

Het team van Joyce bootst dit proces na in laboratoriumreageerbuizen en oefent steeds meer selectieve druk uit op het systeem om beter presterende polymerasen te produceren, met als doel op een dag een RNA-polymerase te produceren dat zichzelf kan repliceren. Dit zou het begin markeren van het autonome RNA-leven in het laboratorium, wat volgens de onderzoekers binnen het komende decennium zou kunnen worden bereikt.

De wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in wat er nog meer zou kunnen gebeuren zodra deze mini-‘RNA-wereld’ meer autonomie heeft gekregen.

“We hebben gezien dat selectiedruk RNA’s met een bestaande functie kan verbeteren, maar als we het systeem langer laten evolueren met grotere populaties RNA-moleculen, kunnen er dan nieuwe functies worden uitgevonden?” zegt co-auteur David Horning, een stafwetenschapper in het laboratorium van Joyce. “We zijn blij om te kunnen beantwoorden hoe het vroege leven zijn eigen complexiteit kon vergroten, met behulp van de tools die hier bij Salk zijn ontwikkeld.”

De methoden die in het Joyce-lab worden gebruikt, maken ook de weg vrij voor toekomstige experimenten waarin andere ideeën over de oorsprong van het leven worden getest, inclusief welke omgevingsomstandigheden de RNA-evolutie het beste hadden kunnen ondersteunen, zowel op aarde als op andere planeten.

Het werk werd ondersteund door NASA (80NSSC22K0973) en de Simons Foundation (287624).

DOI: 10.1073 / pnas.2321592121