Ongeacht zijn populariteit heeft de RNA-wereld hypothese grote tekortkomingen als verklaring voor de oorsprong van de eerste organismen. Als aanvulling op deze hypothese publiceerde de onderzoeksgroep onder leiding van Oliver Trapp een studie over de prebiotische synthese van deoxynucleotiden (DNA-bouwstenen). Deze studie werd op de populairwetenschappelijke website www.scinexx.de nogal euforisch becommentarieerd en gepresenteerd als een verklaring voor de natuurlijke oorsprong van DNA. Een meer nauwkeurige analyse levert echter een totaal ander beeld.
Volgens de meeste onderzoekers naar de oorsprong van het leven, waren zelf-replicerende (vermenigvuldigende) moleculaire systemen op basis van RNA-moleculen de voorlopers van de eerste organismen. RNA wordt beschouwd als de beste kandidaat voor de meest simpele oorsprong van het leven, omdat het als enige biomolecuul twee belangrijke eigenschappen in zich verenigt: zowel informatieopslag en informatieoverdracht, alsmede katalyse (versnelling) van bepaalde chemische reacties. Aldus zouden, althans hypothetisch, chemische verbindingen in een ‘RNA-wereld’ aanwezig zijn die zowel stofwisseling alsmede erfelijkheid mogelijk zouden maken (Gilbert 1986).
Ernstige zwakheden van het RNA-wereld model zijn evenwel in het vakgebied algemeen bekend. Noch voor de mogelijkheid van de vorming van de noodzakelijke RNA-bouwstenen, de ribonucleotiden, noch voor hun daaropvolgende polymerisatie (koppeling) tot RNA-strengen zijn plausibele prebiotische omstandigheden aangetoond. Nog veel groter is de uitdaging om vervolgens de benodigde replicatie (vermenigvuldiging) van het RNA in een waterige, bijna natuurlijke omgeving te realiseren. Het kernprobleem is de uitgesproken labiliteit in waterige oplossing, van zowel de RNA-bouwstenen alsook het macromolecuul RNA zelf. Beweringen dat deze problemen reeds zouden zijn opgelost, zijn niet overtuigend, omdat de publicaties waarnaar vaak wordt verwezen (Powner 2009, Ferris 2006, Deck 2011) kunstgrepen beschrijven, op basis van chemische expertise en die geen betrekking hebben op realistische aardse omstandigheden. Deze klaarblijkelijke zwakke punten van het RNA-wereld model leiden ertoe dat onderzoekers bestaande modellen reviseren of nieuwe ideeën ontwikkelen voor een hypothetisch begin van het leven. Kritische commentaren daarop zijn al eerder verschenen (Binder 2009, Schmidtgall 2014).
Een mogelijkheid die al eerder is geopperd, bestaat binnen het stabiliserende effect van het chemisch verwante biopolymeer van RNA, het DNA (Lindahl 1993). De vorming daarvan is tot dusverre problematisch geweest, omdat volgens gangbare opvattingen DNA uit RNA gevormd moet zijn en het complexe enzym ribonucleotide reductase noodzakelijk is. Dit verwijdert de hydroxylgroep op de 2’-positie van de ribose en zet het om in 2-deoxyribose.1 Dat zou echter geen eenvoudig begin van het leven zijn.
Verrassend genoeg meldde een artikel op de populairwetenschappelijke website scinexx onlangs dat een onderzoeksgroep van de LMU München erin was geslaagd aan te tonen hoe DNA kon worden gevormd onder natuurlijke omstandigheden, zonder deelname van enzymen. Als deze bewering waar zou zijn, zouden we te maken hebben met een geweldige vooruitgang in het onderzoek naar het ontstaan van het leven. De “nachtmerrie van de prebiotisch chemicus” – een aanduiding voor RNA, die afkomstig is van S. A. Benner (Benner 2013) – zou misschien binnenkort voorbij zijn. Want als DNA onder natuurlijke omstandigheden zonder enzymen kan worden gevormd, dan is het voor de hand liggend, dat dit ook mogelijk is voor RNA.
De scinexx-auteur verwees naar een recent artikel in het chemisch vakblad Angewandte Chemie van Oliver Trapp (Teichert et al. 2019). In dit artikel wordt echter nergens gesproken over het feit dat DNA daadwerkelijk wordt gevormd. De auteurs van het originele artikel hielden zich uitsluitend bezig met de vorming van DNA-nucleotiden – dus de afzonderlijke bouwstenen van het genetische materiaal – via de reactie van drie chemische verbindingen (nucleobasen, aceetaldehyde en D-glyceraldehyde.2 Dat de afzonderlijke bouwstenen vervolgens samenvoegen om DNA te vormen, is allesbehalve vanzelfsprekend. Men zou geneigd kunnen zijn om een schrijffout van de scinexx-auteur te veronderstellen, als in de rest van het artikel ook maar een schijntje van kritische weerspiegeling van de originele studie herkenbaar zou zijn. Dit is echter nergens het geval.
Verder vermeldt het scinexx-artikel, dat “normale reactieomstandigheden” voldoende zijn voor de beslissende stap naar het DNA-skelet, waar hier met “normaal” zoveel als “dicht bij natuurlijke omstandigheden” bedoeld wordt. Deze verklaring is slechts gedeeltelijk correct. Het is wel waar, dat de experimentele omstandigheden relatief eenvoudig waren in vergelijking met veel andere simulaties van het ontstaan van macromoleculen van het leven. De experimenten werden uitgevoerd in een waterig milieu en er werden geen tussenliggende zuiveringsstappen van tussenproducten uitgevoerd. Ook waren er geen veranderingen in temperatuur of andere parameters (pH, concentratie) nodig. Dat klinkt inderdaad als een aanzienlijke prestatie in de zoektocht naar een plausibel scenario voor de oorsprong van de eerste biomoleculen. Toch valt bij nader onderzoek van de experimentele details op, dat de experimenten gewoonweg vakkundig ontworpen waren om DNA-nucleotiden te verkrijgen.
Het is onnodig te zeggen, dat het gebruik van zeer zuivere chemische verbindingen (nucleobasen, acetaldehyde en D-glyceraldehyde) in gedemineraliseerd water – zoals in de experimenten van Teichert et al. gebeurde – in geen geval natuurlijke omstandigheden benadert. Bovendien werden de experimenten altijd uitgevoerd in gesloten ampullen, anders zou het vluchtige acetaldehyde (kookpunt 20 °C) snel uit het reactiemengsel ontsnappen. In het oorspronkelijke artikel wordt het gebruik van gesloten ampullen gerechtvaardigd, doordat op de vroege aarde een veel hogere atmosferische druk zou hebben geheerst – een nauwelijks verifieerbare aanname.
Bovendien werd met D-glyceraldehyde doelgericht een molecuul gekozen, dat vanwege zijn geometrische configuratie precies passend was voor het beoogde resultaat. Het spiegelbeeldmolecuul L-glyceraldehyde krijgt noch in het scinexx-artikel, noch in de publicatie van Teichert et al. vermelding, hoewel de vorming ervan onder natuurlijke omstandigheden net zo waarschijnlijk is als die van D-glyceraldehyde. Het gebruik van L-glyceraldehyde in plaats van D-glyceraldehyde geeft problemen omdat de reactie ervan nucleotiden oplevert die vanwege hun geometrie ongeschikt zijn voor de vorming van genetische moleculen. Zelfs als L-glyceraldehyde slechts een fractie van het mengsel uitmaakt, zou dit effectief de synthese van functionele DNA-moleculen blokkeren. Voor een succesvol reactieproces is het daarom noodzakelijk dat het D-glyceraldehyde in pure vorm aanwezig is. Hier wordt dus het probleem van de vorming van pure enantiomere (alleen D-vorm of alleen L-vorm aanwezig) chemische verbindingen zonder gerichte controle door een experimentator, simpelweg genegeerd. Elke chemicus weet dat de bereiding van enantiomeer zuivere chemische verbindingen vaak een hele uitdaging is, zelfs met de geavanceerde methoden van de synthetische chemie. De vermeende specificiteit van de door Teichert et al. gepresenteerde synthese wordt ook beperkt door mogelijke reacties met andere carbonylverbindingen. Waarom zouden er naast D-glyceraldehyde geen andere aldehyden aanwezig zijn, die daardoor de resulterende cocktails complex van samenstelling maken? Gezien de beoogde synthese van DNA zou een dergelijk mengsel onbruikbaar zijn.
Een ander probleem is de opbrengst van de door Teichert et al. gepubliceerde reacties. Terwijl in het scinexx-artikel beweerd wordt dat de opbrengsten “voldoende” zijn, vermeldt de originele studie daarentegen een nogal schamel resultaat. De genoemde reactie werd uitgevoerd voor alle vier klassieke nucleotiden. Daarbij werden opbrengsten van minder dan één procent verkregen voor drie 2‘-desoxy-nukleotiden (adenine, guanine, thymine). Alleen in het geval van 2‘-desoxy-cytosine was de opbrengst een karige 2,5%. Gezien het zwaarwegende prebiotische “verdunningsprobleem” zijn deze resultaten op generlei wijze overtuigend.
Het is belangrijk om te vermelden, dat de reactie nauwelijks verloopt in aanwezigheid van magnesiumzouten, zoals blijkt uit de vakliteratuur. Maar dit betekent dat een veelvuldig in de aardkorst voorkomend ion afwezig zou moeten zijn om de reactie te laten plaatsvinden – een vrijwel onoverkomelijk probleem voor dit hypothetische scenario van het ontstaan van de bouwstenen van DNA. Ten slotte rijst de vraag waarom Teichert et al. de vorming van DNA-bouwstenen simuleerde zonder toegevoegde fosfaatgroepen. Want zonder fosfaatgroepen is de vervolgreactie van de bouwstenen naar DNA-macromoleculen absoluut uitgesloten.
Het is veelbetekenend, hoe dit onderwerp werd gepresenteerd op de website van scinexx. Enerzijds werden de resultaten van de originele studie verdoezeld, zelfs via gladde valsheid in geschrifte. Aan de andere kant werden kritische aspecten van de originele studie volledig weggepoetst. Op deze manier werkt het commentaar manipulatief en niet als een evenwichtige rapportage. Want de originele studie van Teichert et al. biedt geen goed argument voor mogelijke vorming van DNA of deoxy-nucleotiden onder plausibele prebiotische omstandigheden. In plaats daarvan toont de studie opnieuw aan, dat moleculen van het leven alleen vervaardigd kunnen worden met behulp van geavanceerde experimenteerkunst.
Bronnen
Benner SA (2013) Asphalt, Water, and the Prebiotic Synthesis of Ribose, Ribonucleotides and RNA. Acc. Chem. Res. 12, 2025-2034.
Binder H (2009) Neue Synthese für Nukleinsäure-Bausteine- ein plausibler Weg zu ersten Nukleinsäuren? Stud. Integr. J. 16, 111-113.
Deck C, Jauker M & Richert C (2011) Efficient enzyme-free copying of all four nucleobases template by immobilized RNA. Nature Chemistry 3, 603-608.
Ferris JP & Huang W (2006) One-Step, Regioselective Synthesis of up to 50-mers of RNA Oligomers by Montmorillonite Catalysis. J. Am. Chem. Soc. 128, 8914-8919.
Gilbert W (1986) The RNA world, Nature 319, 618.
Lindahl T (1993) Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature 362, 709-715.
Powner MW, Gerland B & Sutherland JD (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239-242.
Schmidtgall B (2014), RNA-Welt: Krise überwunden? Stud. Integr. J. 21, 22-28.
Teichert JS, Kruse FM & Trapp O (2019) Directed prebiotic pathway of DNA nucleosides. Angew. Chem. 131, 10049-10052; Angew. Chem. Int. Ed. 58, 9944-9947.
Dit artikel is met toestemming overgenomen van de website GenesisNet. Het originele artikel is hier te vinden.
