Livets molekylära ursprung: Vad bildades först – Protein, DNA eller RNA eller en kombination därav?

"Flera frågor om livets ursprung har besvarats, men mycket återstår att studera", sa Stanley Miller och Harold Urey redan 1959 efter att ha rapporterat om laboratoriesyntes av aminosyror under primitiva jordförhållanden. Många framsteg framåt, men forskarna har länge brottats med en grundläggande fråga - vilket genetiskt material som först bildades på den primitiva jorden, DNA- or RNA, eller lite av båda? Det finns bevis nu som tyder på det DNA- och RNA båda kan ha samexisterat i ursoppan varifrån livsformerna kan ha utvecklats med respektive genetiskt material.

Molekylärbiologins centrala dogm säger att DNA- gör RNA gör proteiner. Proteiner är ansvariga för majoriteten, om inte alla reaktioner som äger rum i en organism. Hela funktionaliteten hos en organism är till stor del beroende av deras närvaro och interaktion med proteinet molekyler. Enligt centrala dogmer, proteiner produceras av informationen i DNA- som omvandlas till funktionell proteinet via en budbärare som kallas RNA. Det är dock möjligt att proteiner själva kan överleva självständigt utan några DNA- or RNA, som är fallet med prioner (felvikta proteinet molekyler som inte innehåller DNA- or RNA), men kan överleva på egen hand.

Det kan alltså finnas tre scenarier för livets uppkomst.

A) Om proteiner eller dess byggstenar kunde bildas abiotiskt under atmosfären som fanns för miljarder år sedan i ursoppa, proteiner kan betecknas som grund för livets ursprung. De experimentella bevisen till dess fördel kommer från det berömda experimentet av Stanley Miller^{1, 2}, som visade att när en blandning av metan, ammoniak, vatten och väte blandas ihop och cirkulerar förbi en elektrisk urladdning, bildas en blandning av aminosyror. Detta bekräftades återigen sju år senare³ 1959 av Stanley Miller och Harold Urey som påstod att närvaron av reducerande atmosfär i urjorden gav upphov till syntes av ekologisk föreningar i närvaro av ovan nämnda gaser plus mindre mängder kolmonoxid och koldioxid. Relevansen av Miller-Urey-experiment ifrågasattes av det vetenskapliga brödraskapet under ett antal år, som ansåg att gasblandningen som användes i deras forskning var för reducerande med hänsyn till de förhållanden som fanns på urjorden. Ett antal teorier pekade mot en neutral atmosfär som innehåller ett överskott av CO2 med N2 och vattenånga⁴. Emellertid har en neutral atmosfär också identifierats som en rimlig miljö för syntes av aminosyror⁵. Dessutom för proteiner för att fungera som livets ursprung måste de replikera sig själv vilket leder till en kombination av olika proteiner att tillgodose olika reaktioner som äger rum i en organism.

B) Om ursoppan gav förutsättningar för byggstenar av DNA- och / eller RNA att bildas, då kunde endera av dessa ha varit det genetiska materialet. Forskningen hittills gynnat RNA att vara det genetiska materialet för ursprunget till livsformer på grund av deras förmåga att vika sig på sig själv, existera som en enda sträng och fungera som ett enzym⁶, kapabla att göra mer RNA molekyler. Ett antal självreplikerande RNA-enzymer⁷ har upptäckts under åren tyder på RNA vara det genetiska utgångsmaterialet. Detta stärktes ytterligare av forskningen utförd av John Sutherlands grupp som ledde till bildandet av två baser av RNA i en miljö som liknar ursoppa genom att inkludera fosfat i blandningen⁸. Bildning av RNA-byggstenar har också visats genom att simulera en reducerande atmosfär (innehållande ammoniak, kolmonoxid och vatten), liknande den som användes i Miller-Ureys experiment och sedan föra elektriska urladdningar och högeffektlasrar genom dem⁹. Om RNA ska tros vara upphovsmannen, när och hur gjorde det DNA- och proteiner kommer till? Gjorde DNA- utvecklas som ett genetiskt material senare på grund av den instabila naturen hos RNA och proteiner följde efter. Svaren på alla dessa frågor är fortfarande obesvarade.

C) Det tredje scenariot att DNA och RNA kan samexistera i ursoppan som ledde till livets ursprung kom från studier publicerade den 3^rd juni 2020 av John Sutherlands grupp från MRC Laboratory i Cambridge, Storbritannien. Forskarna simulerade de förhållanden som fanns på en urjord för miljarder år sedan, med grunda dammar i labbet. De löste först kemikalier som bildades RNA i vatten, följt av att torka och värma dem och sedan utsätta dem för UV-strålning som simulerade solens strålar som existerade i urtiden. Detta ledde inte bara till syntesen av de två byggstenarna i RNA men också av DNA-, vilket tyder på att båda nukleinsyrorna existerade samtidigt vid tiden för livets ursprung¹⁰.

Baserat på den samtida kunskap som finns idag och som hedrar molekylärbiologins centrala dogm, verkar det troligt att det DNA och RNA samexisterade som ledde till livets ursprung och proteinbildning kom/uppstod senare.

Författaren vill dock spekulera i ett annat scenario där alla de tre viktiga biologiska makromolekylerna, dvs. DNA, RNA och protein fanns tillsammans i ursoppan. De röriga förhållanden som fanns i ursoppan som involverade jordytans kemiska natur, vulkanutbrott och närvaro av gaser som ammoniak, metan, kolmonoxid, koldioxid tillsammans med vatten kan ha varit idealiska för att alla makromolekyler skulle bildas. En antydan om detta har getts av forskning gjord av Ferus et al., där nukleobaser bildades i samma reducerande atmosfär⁹ användes i Miller-Ureys experiment. Om vi ​​ska tro på denna hypotes, så antog olika organismer under evolutionens gång det ena eller det andra genetiska materialet, som gynnade deras existens framåt.

Men när vi försöker förstå ursprunget till livsformer krävs mycket ytterligare forskning för att svara på de grundläggande och relevanta frågorna om hur livet uppstod och fortplantade sig. Detta skulle kräva ett "out-of-the-box" tillvägagångssätt utan att förlita sig på några fördomar som introducerats i vårt tänkande av de nuvarande dogmerna som följs inom vetenskapen.

***

Referenser:

1. Miller S., 1953. En produktion av aminosyror under möjliga primitiva jordförhållanden. Vetenskap. 15 maj 1953: Vol. 117, Issue 3046, s. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al. 2003. Prebiotisk soppa – Revisiting the Miller Experiment. Vetenskap 02 maj 2003: Vol. 300, nummer 5620, sid. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL och Urey HC, 1959. Syntes av organiska föreningar på den primitiva jorden. Vetenskap 31 juli 1959: Vol. 130, nummer 3370, s. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Atmosfärisk sammansättning och klimat på den tidiga jorden. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Publicerad: 07 september 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. En omvärdering av prebiotisk organisk syntes i neutrala planetariska atmosfärer. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Den mellanliggande sekvensen RNA av Tetrahymena är ett enzym. Science 31 januari 1986: Vol. 231, Issue 4737, s. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Vetenskap 08 april: Vol. 332, nummer 6026, s. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Syntes av aktiverade pyrimidinribonukleotider under prebiotiskt rimliga förhållanden. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Bildning av nukleobaser i en Miller-Urey-reducerande atmosfär. PNAS 25 april 2017 114 (17) 4306-4311; publicerades först 10 april 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selektiv prebiotisk bildning av RNA-pyrimidin och DNA- purinukleosider. Nature 582, 60–66 (2020). Publicerad: 03 juni 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***