Zo zou RNA-replicatie er uit kunnen zien

Onderzoekers zijn nog steeds op zoek naar de manier waarop leven is ontstaan. Als je nu naar de moleculaire samenstelling van een cel kijkt, het basiselement van een levend organisme, dan zie je een vreselijk ingewikkeld systeem. Hoe is dat begonnen? Een veel aangehangen idee is dat het met RNA begonnen, het ‘zuster’molecuul van DNA: de RNA-wereld. In die wereld had het RNA, onder meer, ook de pet op die DNA nu op heeft: de opslag van informatie. In die puzzel ontbrak nog wel het een en ander. Het lijkt er op dat er nu een belangrijk ontbrekend puzzelstuk is gevonden: de manier waarop RNA bijna alle RNA-moleculen kan produceren (behalve zichzelf).

Een wezenlijke eigenschap van het leven is het replicatievermogen, het vermogen om kopieën te maken van de biomoleculen. Onderzoekers hebben nu voor het eerst RNA-moleculen gemaakt die in staat zijn bijna alle RNA-moleculen te produceren. Daarmee lijkt de theorie van de RNA-wereld weer wat beter geschraagd. Het vervelende is alleen dat dat RNA-molecuul zichzelf niet kan repliceren, maar de onderzoekers houden hoop. Dat biedt ook mogelijkheden om synthetische micro-organismen te fabriceren, waar RNA de enige bron is van genetische informatie, denken ze.
Even terug naar de ‘moderne’ cel. In het dubbelstrengige DNA ligt alle genetische informatie opgeslagen. Die informatie wordt (deels) afgelezen en overgebracht op een RNA-molecuul. Dat RNA-molecuul dient weer als mal voor de productie van eiwitten in de ribosomen.

In de jaren ’60 werd de theorie van de RNA-wereld bedacht als als hypothese voor hoe het leven zou kunnen zijn ontstaan. RNA leek daarvoor de ideale kandidaat. Het is enkelstrenging, maar kan, net als DNA, informatie opslaan. Daarnaast is RNA ook in staat als enzym te fungeren. Die functies hebben nu de eiwitten. Daarnaast ontdekten onderzoekers dat RNA de kern is van verschillende moderne enzymen die wezenlijk zijn voor het leven, zoals het ribosoom dat de eiwitten produceert. In de RNA-wereld regelde RNA zowel de genetica (in feite de overdracht van informatie) als de biochemie in cellen.
Als dat klopt dan moet RNA zichzelf kunnen kopiëren om nieuwe cellen van de informatie te kunnen voorzien. “Dat is een te kraken noot in de theorie van de RNA-wereld”, zegt Gerald Joyce van het Scripps-instituut in San Diego (VS). Moderne cellen hebben een (eiwit)enzym RNA-polymerase die er voor zorgt dat DNA wordt gekopieerd in RNA.

In 1993 synthetiseerde, onder meer, Nobelprijswinnaar Jack Szostak een RNA-versie van RNA-polymerase, ook bekend als RNAP-ribozym, een samentrekking van ribosoom en enzym. Dat ribozym kon twee stukjes RNA aan een ander stuk RNA plakken dat als mal diende (ik moet eerlijk zeggen dat ik daar geen helder beeld bij heb). Sinds die tijd is Szostak c.s. bezig geweest met het verbeteren van RNA-kopieerders. Twee jaar geleden meldden onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk dat ze een RNAP-ribozym hadden geïsoleerd dat stukjes RNA aan elkaar kon plakken tot een lengte van 200 nucleotiden, de bouwstenen van RNA (en DNA) met behulp van een sjabloon-RNA-molecuul.

Kieskeurig

Het probleem met die RNAP-ribozymen is dat ze erg kieskeurig zijn. Ze kunnen alleen bepaalde sequenties van nucleotiden kopiëren en die stukken RNA doen niks bijzonders in een cel. Functieloos en dus onnut. Joyce en medeonderzoeker David Horning hebben toen hun zinnen gezet op de ontwikkeling van een ‘nuttiger’ RNAP-ribozym met behulp van de ‘reageerbuisevolutie’ (dat schijnt een bekende techniek te zijn).
Ze begonnen met een hele bibliotheek van DNA-strengen die moesten coderen voor het RNAP-ribozym. Ze muteerden het DNA willekeurig om er zeker van te zijn dat elk van de resulterende RNAP’s verschillend zou zijn. Ze voegden die verschillende RNAP’s toe aan flesjes met RNA-‘snippers’ die ze aan elkaar wilden plakken met een RNA-molecuul dat als mal dient. Als het RNAP-ribozym met succes nieuw RNA produceerde, dan zou dat zich ‘kenbaar’ maken door zich te binden aan een bepaalde ‘moleculair doel’ in het flesje. Elke RNAP-ribozym was zo gemaakt dat die vast zou blijven zitten aan de nieuw gevormd RNA-streng. Zo konden de onderzoekers de successen ‘opvissen’. Elke van die RNAP-ribozymen werd dan weer gebruikt als beginpunt van een volgende evolutionaire ronde.

24-3-polymerase

Na 24 van dit soort ‘rondjes’ kwamen ze uit bij 24-3-polymerase. Die RNA-streng is in staat bijna ieder RNA-molecuul te kopiëren, van kleine katalysatoren tot grote RNA-enzymen. 24-3-polymerase kon ook kopieën maken van RNA-moleculen die het ribozym al had gekopieerd, waarmee het aantal van die kopieën vertienduizendvoudigd kon worden. Dat zou een eerste RNA-versie zijn van de polymerasekettingreactie, een techniek die gebruikt wordt om veel kopieën van een DNA-molecuul te maken.

Steven Benner, die zich bezig houdt met het ontstaan van leven, noemt het onderzoek een ‘doorbraak’. Hij zegt wel dat het nog steeds niet betekent dat het definitieve bewijs voor de RNA-wereld als verklaring voor het ontstaan van leven is geleverd. Niet alleen voorkomt de dichte structuur van 24-3-polymerases dat het molecuul zichzelf kan kopiëren, maar ondanks alle moderne hulpmiddelen heeft het de biochemici 25 jaar gekost om met een RNA-kopieerder te komen die andere RNA-moleculen kopieert. “We missen nog steeds iets belangrijks.”
Joyce spreekt hem niet tegen. Wellicht dat er voor de RNA-wereld nog primitievere vormen van biochemie (leven?) kunnen hebben bestaan. Niettemin gaan de twee op de ingeslagen weg voort in de hoop op een polymerase te stuiten die zichzelf kan repliceren. Zo’n molecuul zou de basis kunnen zijn van de eerste synthetische cellen waar RNA de rol van het huidige DNA vervult.

Bron: New Scientist