De vijf nucleobasen die een belangrijk bestanddelen vormen van DNA en RNA (afb: Futura-Sciences)

Wereldwijd zijn er nogal wat onderzoekers bezig uit te zoeken hoe het leven ooit is begonnen. De RNA-wereld gooit op het ogenblik de hoogste ogen, zeker nu blijkt dat eiwitten en RNA elkaar kunnen helpen bij het synthetiseren van nieuwe eiwitten en RNA’s.
Het is een kip/eiverhaal. Er is geen leven zonder ribosomen, waar in een cel de eiwitten worden aangemaakt op basis van een code die wordt geleverd door RNA (gekopieerd van DNA). Waar komen die ribosomen ineens vandaan in de historie van het ontstaan van leven?

Nu lijken onderzoekers een beginnetje van een oplossing te hebben. Claudia Bonfio van de universiteit van Straatsburg en collega’s lieten zien dat RNA-moleculen in staat zijn zelfstandig korte eiwitten (peptiden) te vormen. Daarvoor zijn helemaal geen ribosomen nodig. Dat werkt onder omstandigheden die zouden hebben bestaan op de vroege aarde. Volgens de onderzoekster geeft dit resultaat onderzoekers een nieuwe manier om na te denken over het ontstaan van peptiden/eiwitten.

RNA wordt door heel wat onderzoekers in dit veld gezien als het ideale materiaal dat aan het begin staat van het ontstaan van leven: die moleculen kunnen niet alleen informatie bevatten maar ook reacties katalyseren. RNA bestond zeer waarschijnlijk al voordat er leven was op aarde, maar RNA zou op de een of andere manier hebben moeten ‘leren’ om eiwitten te maken en wellicht ook ribosomen. “Die ribosomen komen zo maar uit de lucht vallen”, zegt Thomas Carell van de Ludwig Maxmilian-universiteit in München.

Een idee hoe dat raadsel uiteindelijk zou kunnen worden opgelost kregen Carell en de zijnen in 2018, toen ze probeerden te begrijpen hoe de bouwstenen van RNA uit eenvoudige moleculen konden zijn gevormd. Het kenmerkende deel van die bouwstenen vormen de, canonische, basen guanine (G), uracil (U), adenine (A) en cytosine (C). Die ‘letters’ vormen in drietallen de code voor bepaalde aminozuren, de basiscomponenten van eiwitten in boodschapper-RNA. Daarnaast zijn er in een cel ook andere RNA’s die in een cel verschillende functies hebben en waarschijnlijk ook andere basen gebruikten dan het canonische viertal.
Carell en collega’s hadden het idee dat die wat genoemd wordt niet-canonische RNA’s (dus buiten b-RNA) zouden kunnen zijn gevormd uit eenvoudige verbindingen die op de vroege aarde aanwezig waren. Ze probeerden te bewijzen dat de basen van die niet-canonische RNA’s zich konden binden aan aminozuren en zouden kunnen helpen bij het aanmaken van peptiden.
Nu melden Carell et. al. dat een basepaar van niet-canonische RNA’s dat inderdaad kunnen. Om dat te bewijzen begonnen ze met paren RNA-moleculen die via de basen aan elkaar verbonden werden (zoals DNA). De twee ketens hadden een complementaire basevolgorde. Aan het eind van een van die twee ketens, de ‘donor’, plakten ze een alternatieve (vreemde, dus niet U, C, G of A) base: t⁶A, die aan een aminozuur kan binden. Aan het eind van de gekoppelde RNA-keten, de ‘acceptor’ plakten ze een andere vreemde base: mnm⁵U.
Mnm⁵U bond aan een aminozuur en ‘overhandigde’ die aan t⁶A. Met een beetje verwarmen liet t⁶A het zuur los en verhuisde dat naar mnm⁵U. De complementaire RNA-ketens scheiden zich van elkaar. Dat proces bleek herhaalbaar. Een tweede donorstreng met een ander aminozuur kon zich binden aan de acceptorstreng en dat aminozuur overdragen. Op die manier kun je korte eiwitten bouwen tot zo’n vijftien aminozuren, stellen de onderzoekers.

Vreemde baseparen

De onderzoekers ontdekten ook dat als twee complementaire RNA-strengen vreemde baseparen bevatten dat de aminozuren waartoe ze zich ‘aangetrokken’ voelen de binding tussen de twee RNA-strengen verstevigt. Volgens Bonfio zou dat betekenen dat er wederzijdse bevoordeling ontstond: RNA’s hielpen bij de vorming van peptiden, terwijl die pepitiden de stabiliteit van de (steeds maar groeiende) RNA-moleculen vergrootten. Die samenwerking zou een grote verscheidenheid aan RNA’s, peptiden en combinaties van beide hebben opgeleverd. Dat zou dan de basis hebben geleverd voor de complexe scheikunde die nodig is voor leven, maar zonder dat daar ribosomen aan te pas (hoeven) komen.
Carell erkent dat het maar om een eerste stap gaat (van RNA en peptiden naar de huidige complexe cel, vooral de eukaryote). Er valt nog een hoop te bewijzen en te ontdekken alvorens er een sluitend verhaal bestaat hoe het leven op aarde kan zijn ontstaan.

Bron: Science