Charles Carter: …een RNA/peptide-wereld…?

Zo’n viermiljard jaar geleden zouden de eerste voorlopers van wat we nu biomoleculen noemen zijn opgedoken in de aardse oersoep. Hoe die eruit zagen is een nog immer voortwoekerende discussie, maar wetenschappers vinden dat die moleculen op zijn minst twee belangrijke eigenschappen moesten hebben: ze moesten informatie kunnen opslaan en ze moesten reacties kunnen katalyseren. In de moderne cel worden die functies achtereenvolgens uitgevoerd door DNA en de eiwitten, maar in die oertijden zou RNA die hebben gecombineerd. De theorie van de RNA-wereld werd al in de jaren 60 ontwikkeld  en krijgt ook de meeste wetenschappelijke steun, maar recente artikelen in Biosystems en Molecular Biology and Evolution zaaien weer twijfel over de houdbaarheid van die verklaring van het ontstaan van leven.
Vorige maand werd een nieuwe theorie gepresenteerd, er van uit gaand dat het eerder om eiwitten zou gaan dan om RNA. Die theorie was echter louter een digitale ‘vingeroefening’. De kracht van de theorie van de RNA-wereld is juist dat verschillende onderzoeken die plausibel hebben gemaakt.
De twee genoemde studies voeren argumenten aan waarom de RNA-wereld geen afdoende verklaring geeft voor de evolutionaire ontwikkeling die er volgde. “Op geen enkele wijze kan een enkel polymeer de noodzakelijke processen volvoeren die we nu beschouwen als onderdeel van leven”, zegt bioloog Charles Carter van de universiteit van Noord-Carolina, medeauteur van beide genoemde artikelen. Dat polymeer zou zeker RNA niet kunnen zijn, stelt Carter.
Het belangrijkste argument voor die stelling heeft betrekking op de katalyse. Dat gezochte ‘wondermolecuul’ zou chemische reacties moeten coördineren die grote verschillen in snelheid vertonen, tot wel twintig grootteordes. Zelfs als RNA daar in zou zijn geslaagd, RNA heeft bewezen in staat te zijn reacties te katalyseren, dan zouden die vermogens moeten zijn afgestemd op de hoge temperatuur in de oertijd op aarde van zo’n 100°C, stelt de onderzoeker. In de periode dat de aarde afkoelde zou RNA zich niet hebben kunnen aanpassen. Daardoor zou de ‘symfonie van gecoördineerde reacties’ in chaos zijn verkeerd en zou er geen leven meer (?) zijn geweest, is zijn redenering.

Het waarschijnlijk belangrijkste argument is dat de RNA-wereld (en alleen RNA) geen verklaring geeft voor het ontstaan van de genetische code, waarmee bijna alle levende organismen op aarde eiwitten aanmaken. Natuurlijke eiwitten zijn opgebouwd uit slechts twintig verschillende aminozuren. Elk aminozuur wordt ‘aangewezen’ door een reeksje van drie DNA-letters, een triplet of codon genoemd (er zijn meer codons voor een aminozuur). Volgens Carters medeonderzoeker Peter Wills van de universiteit van Auckland (NZl) zou er te weinig tijd geweest zijn om van de RNA-wereld in de DNA/eiwit-wereld te geraken. RNA zou daarvoor de ‘rekenflexibiliteit’ niet hebben.

“Een systeem dat informatie gebruikt zoals organismen doen die genetische informatie gebruiken om hun eigen componenten te maken, moet reflexieve informatie bevatten”, zegt Wills. Daarmee bedoelt hij informatie die exact codeert voor verbindingen die nodig zijn voor het systeem. RNA, en dus de RNA-wereld, kan zo’n chemie niet sturen, stelt de Nieuw-Zeelander. “De RNA-wereld vertelt je niks over genetica.”

Andere weg

Er moet een andere weg zijn naar de genetische code. Carter en Wills denken die gevonden te hebben. Het zou dan gaan om een ontwikkeling, met een stevige terugkoppeling, van peptide/RNA-complexen. Carter zou al aanwijzingen voor dat idee hebben gevonden in de jaren 70 toen hij nog student was. Sommige structuren in eiwitten zijn rechtsdraaiend, evenals de suikers en de kernzuren DNA en RNA. Dat gaf hem het idee dat RNA en polypeptiden complementaire structuren zijn, die als een hand in een handschoen passen.
Daarvoor zou een elementaire codeerwijze nodig zijn, een basis voor de uitwisseling van informatie tussen RNA en de polypeptide(n). Hij vroeg zich af hoe dat er uit zou zien als je terugwerkte van het coderingssysteem dat we nu kennen. Toen de ster van de theorie van de RNA-wereld rees, zo in de jaren 80, voelde Carter zich gepasseerd. Zijn peptide/RNA-wereld werd volledig over het hoofd gezien, vond hij.

Sindsdien heeft hij met Wills en andere onderzoekers gewerkt aan een theorie. Hun voornaamste doel was en is om een simpele genetische codering te vinden, waarmee het leven op aarde zou zijn begonnen. Daarvoor sloegen ze niet alleen aan het rekenen, maar keken ze (uiteraard) ook naar de genetica.

Synthetases

Centraal in hun theorie zijn twintig synthetases, aminoacyl-tRNA-synthetases om precies te zijn. Die noemen ze laadenzymen. Als ik het goed begrepen heb dan lezen die de code van RNA af en vormen de peptiden.
Die twintig enzymen kunnen, zo had eerder onderzoek aannemelijk gemaakt,  verdeeld worden in twee gelijke groepen van tien, afhankelijk van structuur en aminozuurvolgorde. De twee klassen hebben sequenties die coderen voor elk specifieke aminozuren. Dat zou betekenen dat de enzymen, zijnde eiwitten, afkomstig zouden zijn van complementaire stukken van hetzelfde oude gen. RNA zou coderen voor peptiden met maar twee regels, oftewel twee typen aminozuren. De zo ontstane peptiden zouden die regels versterken die het translatieproces beheersten. Ze zouden verantwoordelijk zijn voor de terugkoppeling die voor de onderzoekers wezenlijk is voor hun theorie.

Gaten opvullen

Carter en Willis zouden aangetoond hebben dat hun peptide/RNA-wereld gaten opvult waar de RNA-wereld op zijn eentje geen verklaring voor heeft. “Ze leveren een stevig theoretisch en experimenteel bewijs dat peptiden en RNA tezamen vanaf het begin betrokken zijn geweest bij de genetische code”, stelt biochemicus Jannie Hofmeyer van de universiteit van Stellenbosch (ZAf), die zelf niet bij dat onderzoek betrokken is geweest. “Ook dat de stofwisseling en en de overbrenging via transcriptie, translatie en replicatie tegelijk moet zijn ontstaan.”

Natuurlijk, het verhaal van Willis en Carter over het ontstaan van leven begint bij de genetische code. Dat veronderstelt dan al een complex van chemische reacties met ingewikkelde moleculen as transfer-RNA en enzymen. De onderzoekers zeggen dat het door hen voorgestelde scenario te maken heeft met de wisselwerking tussen RNA en peptiden (korte eiwitten), maar dat laat nog vele vragen onbeantwoord over hoe die ingewikkelde scheikunde tot stand is gekomen.
Daarvoor zal je terugmoeten naar theorieën voor/buiten de RNA-wereld. Sommige theoretici kiezen juist een tegenovergestelde benadering als die van Carter en Willis. Het zou allemaal begonnen kunnen zijn met scheikunde die we vandaag niet meer kennen (ik heb geen idee wat je je daarbij moet voorstellen). Zo ziet genomicus Doron Lancet van het Israëlische Weizmanninstituut een belangrijke rol voor de lipiden die ook als informatiedrager zou optreden, door hem composoom genoemd. Het gaat dan niet om een type molecuul, maar een grote variëteit aan moleculen. De lipiden zou het gat tussen een simpele scheikunde en de DNA/RNA-wereld moeten vullen. Ik vrees dat de strijd over de enige echte theorie over het ontstaan van leven op aarde nog lang niet is beslist (zo dat ooit gebeurt).

Bron: Quanta Magazine