Vor Milliarden von Jahren vermischten sich Moleküle auf einer leblosen und turbulenten Erde und bildeten die ersten Lebensformen. Äonen später drängt sich eine größere, intelligentere Lebensform über Laborexperimente, um ihre eigenen Anfänge zu verstehen.
Während einige sagen, dass Leben aus einfachen Molekülketten hervorgegangen ist, sagen andere, dass frühe chemische Reaktionen selbstreplizierende RNA gebildet haben. Als Verwandter von DNA fungiert RNA als Decoder oder Botenstoff für genetische Informationen.
Eine neue Studie liefert Belege für die RNA-Idee, die als "RNA-Welthypothese" bekannt ist. Mindestens ein Bestandteil der frühen RNA kann sich jedoch von dem unterscheiden, was in der modernen Form zu finden ist, berichtete eine Gruppe von Wissenschaftlern am 3. Dezember in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences.
Moderne RNA besteht neben ihrem Zucker- und Phosphatrückgrat aus vier Hauptbausteinen: Nukleobasen namens Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Uracil (U).
Es stellt sich jedoch heraus, dass frühe RNA möglicherweise eine Nukleobase hatte, die nicht Teil der modernen Form ist.
In winzige Kunststoffröhrchen geben die Forscher Wasser, etwas Salz, Puffer, um den pH-Wert basisch zu halten, und Magnesiumionen, um die Reaktionen zu beschleunigen. Diese Bedingungen ähneln denen in einem Süßwassersee oder -teich, einem Kratersee oder einem See oder Pool in vulkanischen Regionen wie dem Yellowstone-Nationalpark - alles Orte, an denen das Leben hätte beginnen können.
Die Forscher fügten dann ein kleines Stück RNA hinzu, das als Primer bezeichnet wird und an ein längeres Stück RNA gebunden ist, das als Template bezeichnet wird. Neue RNA entsteht, wenn ein Primer Template-RNA durch Basenpaarung kopiert. Die Nukleobasen stimmen eindeutig überein; C bindet nur an G und A bindet nur an U.
Die Forscher fügten die Nukleobasen (A, C, G und U) hinzu, damit sie an das Templat binden und dadurch das kürzere Stück, den Primer, verlängern konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass mit Inhaltsstoffen aus moderner RNA die Reaktion nicht schnell genug funktionierte, damit sich die RNA fehlerfrei bilden und replizieren konnte.
Dann fügten die Forscher der Mischung eine andere Chemikalie hinzu, Inosin, anstelle des auf Guanin basierenden Moleküls. Danach stellten die Forscher überrascht fest, dass sich RNA etwas genauer bilden und replizieren konnte als in einer Mischung mit Guanin.
Diese Mischung verursachte keine sogenannte "Fehlerkatastrophe", was bedeutet, dass Mutationen oder zufällige Fehler bei Replikationen unter einem Schwellenwert blieben, um sicherzustellen, dass sie vor der Akkumulation beseitigt werden konnten.
"Die Tatsache, dass das Problem der Fehlerkatastrophe überwunden wird, ist ein wichtiger Test von Bedeutung", sagte David Deamer, Biologe an der University of California in Santa Cruz, der nicht an der Studie teilnahm. Sein einziges Problem ist die Behauptung, dass Inosin bei der Herstellung primitiver RNA plausibler ist als andere alternative Basen, sagte Deamer. Er glaubt noch nicht, dass die anderen Grundlagen ausgeschlossen werden sollten, da "dies eine ziemlich breite Behauptung ist ... basierend auf einer hochspezifischen chemischen Reaktion", sagte Deamer gegenüber Live Science
Da Inosin jedoch leicht von einem anderen Basenpaar, Adenin, abgeleitet werden kann, macht es den Prozess der Entstehung des Lebens "einfacher", als wenn Sie Guanin von Grund auf neu herstellen müssten, sagte John Sutherland, ein Forscher über die chemischen Ursprünge der Molekularbiologie am MRC Labor für Molekularbiologie in Großbritannien, das ebenfalls nicht an der Studie teilnahm.
Die Ergebnisse brechen "die konventionelle Weisheit, dass Inosin nicht nützlich gewesen sein könnte", sagte Sutherland gegenüber Live Science. Inosin hatte sich diesen Ruf verdient, weil es eine sehr spezifische Aufgabe in einer Form von RNA namens Transfer-RNA erfüllt, die genetische Informationen entschlüsselt.
Es wurde angenommen, dass Inosin "wackelt" oder an verschiedene Basenpaare bindet, anstatt an ein einziges. Das hätte es zu einem schlechten Molekül gemacht, um einzigartige Anweisungen zur Bildung neuer RNA zu geben, da es keine klare Richtung für die Bindung von Inosin gegeben hätte. Und so "hatten viele von uns fälschlicherweise gedacht, dass dies eine inhärente Eigenschaft von Inosin ist", sagte Sutherland. Diese Studie zeigte jedoch, dass Inosin im Kontext der frühen Welt, in dem die RNA zum ersten Mal auftrat, nicht wackelt, sondern sich zuverlässig mit Cytosin paart, fügte er hinzu.
"Jetzt macht alles Sinn, aber aufgrund der älteren Ergebnisse haben wir nicht erwartet, dass Inosin so gut wirkt wie es", sagte der leitende Autor der Studie, Jack Szostak, Professor für Chemie und chemische Biologie an der Harvard University ein Nobelpreisträger.
Szostak und sein Team versuchen nun herauszufinden, wie sich diese primitive RNA von der modernen RNA unterscheiden könnte - und wie sie sich schließlich in moderne RNA verwandelte. Außerdem konzentriert sich ein Großteil ihres Labors darauf, wie sich RNA-Moleküle replizierten, bevor sich Enzyme entwickelten. (Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen.)
"Dies ist eine große Herausforderung", sagte Szostak gegenüber Live Science. "Wir haben große Fortschritte gemacht, aber es gibt immer noch ungelöste Rätsel."
Sutherland bemerkte auch, dass sich das Feld im Allgemeinen von einer reinen "RNA-Welthypothese" zu einer entwickelt, bei der mehr Komponenten in den Kessel gemischt werden, der das Leben geschaffen hat. Dazu gehören Lipide, Peptide, Proteine und Energiequellen. In den Köpfen der Forscher fügte er hinzu: "Es ist eine weniger puristische RNA-Welt als früher."
