Zo zou de DNA-replicatie kunnen zijn ontstaan, maar waar zijn de cellen? (afb: Dieter Braun et al./eLife)

DNA-replicatie is een van de fundamentele moleculaire mechanismen waarop het leven op aarde afhankelijk is. Het is echter nog steeds onduidelijk hoe dat proces tot stand gekomen is en welke omstandigheden daarbij een rol hebben gespeeld.  Onderzoekers rond Dieter Braun van de Ludwig Maximiliansuniver-siteit in München hebben nu een scenario bedacht dat het ontstaan van dat proces  mogelijk zou maken, maar ook als dat klopt zijn we nog heel ver af van een verklaring hoe leven ontstaan is.
Een fundamentele levensproces is de replicatie van DNA. Dat complexe moleculaire mechanisme maakt het mogelijk dat het DNA-molecuul wordt gedupliceerd en de cel zich kan delen. Al het leven op aarde is gebaseerd op dit replicatieproces, waardoor weefsels kunnen herstellen en zich verder ontwikkelen, maar ook hoe meercellige organismen zich kunnen voortplanten.
Hoe de DNA-replicatie in zijn werk gaat is wel zo ongeveer bekend, maar de grote vraag is en blijft hoe zo’n complex systeem heeft kunnen ontstaan. Gezien zijn fundamentele rol in biologische processen is het waarschijnlijk dat dat proces vroeg in de evolutie moet zijn ontstaan ergens op het moment dat de eerste bouwstenen van het leven meer dan viermiljard jaar geleden op aarde verschenen. Maar hoe?

Het lijkt onwaarschijnlijk dat dat in de open oceaan is ontstaan, waar de verdunning van de noodzakelijke moleculen veel te groot is (en die elkaar dan, vrijwel, nooit zouden tegenkomen). Dat proces zou ontstaan zijn in warmwaterbronnen is de heersende overtuiging, met elementen die essentieel zijn voor het leven, maar dan zijn we er nog niet. De DNA-replicatie wordt bevorderd door de aanwezigheid van een temperatuurverloop en bij hoge temperaturen kernzuren worden afgebroken.
Om dit probleem aan te pakken hebben Braun en collega’s in het lab de natuur- en scheikundige omstandigheden nagebootst die er kunnen zijn geweest in poreuze rotsen rond zo’n warmwaterbron. Die rotsen zouden een belangrijk grensvlak tussen twee zeer verschillende omgevingen vormen: enerzijds hete, basische vloeistoffen, vol met gassen, mineralen en verschillende voedingsstoffen met aan de andere kant de oceaan koud en zout.
De mineralen die in de rotsen aanwezig zijn zouden mogelijk als katalysator kunnen hebben gediend voor de synthese van DNA, maar hoe kan in deze omgeving een replicatieproces ontstaan?

Idee?

De onderzoekers hebben een idee. Uit hun experimenten blijkt dat de poriën in de rotsen die zich op het kruispunt van een gasstroom en het water bevinden, voor de noodzakelijke omstandigheden hadden kunnen zorgen. In deze kleine openingen in het gesteente lijkt het erop dat de kernzuren die in de waterfase aanwezig zijn, zich zouden hebben opgehoopt op het grensvlak tussen gas en water. Vijf minuten na de start van de proef zagen de onderzoekers al een verdrievoudiging van het aantal aanvankelijk aanwezige DNA-strengen. Na een uur waren het er zelfs dertig keer meer.

Bij de replicatie worden bij DNA de twee strengen gescheiden, waarna die weer worden gecompleteerd doordat de DNA-letters op de juiste plaats worden gezien met de juiste nucleotide (een A tegenover een T en een C tegenover een G en vice versa). Dat zou dus betekenen dat die losse nucleotiden aanwezig waren.
Volgens de onderzoekers zou de zoutgradiënt hebben gezorgd voor de scheiding van de twee DNA-strengen. Als er geen zoutgradiënt, water en gasstroom was, dan werd er niet gerepliceerd. Het bleek dat wanneer niet aan deze voorwaarden werd voldaan (waterige oplossing, gasstroom en zoutgradiënt), er geen replicatie plaatsvond.

Dat is allemaal leuk en aardig, maar waar kwam dat DNA vandaan en waren die losse nucleotiden zo maar spontaan ontstaan en in die warmwaterbron terechtgekomen met die poreuze rotsen? En waar zijn de cellen in dit verhaal. In een eukaryote cel is de celdeling een knap ingewikkeld proces. Als dit klopt zijn we nog heel ver af van een verklaring hoe leven ontstaan is (en trouwens: wat is leven?). Voorlopig houd ik de RNA-wereld als begin van de cel (en dus het leven) een stuk waarschijnlijker (maar ja, ik ben ook een leek op alle terrein).

Bron: Futura-Sciences