Samenvatting: De populaire RNA-wereld-hypothese* als verklaring voor het ontstaan van het leven, moet naast de efficiënte synthese van RNA-polymeren* ook de betrouwbare vermeerdering (replicatie) ervan, plausibel maken. In het laboratorium zijn reactiesystemen ontwikkeld, waarbij RNA gerepliceerd kan worden in aanwezigheid van hoge concentraties magnesiumionen. Maar het effect van metaalionen is dubbelzinnig, want ze werken ook destructief in op RNA-moleculen. Kan deze dichotomie overwonnen worden en zo ja, welke gevolgen heeft de oplossing op de verklaringskracht van de RNA-wereld-hypothese?
Jack Szostak, die in 2009 samen met Blackburn en Greider voor zijn werk aan het enzym telomerase de Nobelprijs voor fysiologie en geneeskunde ontving, doet in zijn laboratorium al vele jaren experimenteel onderzoek over de vragen van de oorsprong van het leven. In het wetenschappelijke tijdschrift Science publiceerde hij een studie over de matrix-ondersteunde* synthese van RNA in eenvoudige modelcellen en de invloed van magnesium-ionen (Mg2+) op dit systeem (Adamala & Szostak 2013). Deze studie heeft veel weerklank gekregen. In het bijzonder werden aspecten aangehaald en benadrukt, die de aannemelijkheid van de RNA-wereld-hypothese* verhogen. In de laboratoriumexperimenten zijn echter procedés en voorwaarden ingevoerd, die vanuit chemische expertise gericht waren op het gewenste resultaat: gereproduceerd RNA; zoals de gekozen reactieomstandigheden en de soort en concentratie van de gebruikte chemicaliën. Deze randvoorwaarden maakten het mogelijk, dat bepaalde reacties konden verlopen. Echter, daardoor levert dit experiment niet alleen een model voor een bepaald aspect van de RNA-wereld-hypothese, maar staat het ver af van een toevallige, ongestuurde of ook maar waarschijnlijke situatie. De hierboven geciteerde publicatie zal hier kort besproken worden, waarbij de experimentele resultaten beschouwd worden zowel met betrekking tot de ondersteuning van de RNA-wereld, alsook m.b.t. de problematische gevolgen.
In een overzichtsartikel had Szostak (2012) acht hoofdproblemen voor de vermeerdering (replicatie) van RNA-moleculen aangegeven en mogelijke oplossingen daarvoor aangegeven. De replicatie van RNA is voor het ontstaan en onderhoud van de RNA-wereld van fundamenteel belang. Voor de door ribozymen* gekatalyseerde RNA-replicatie alsook voor de vermeerdering zonder katalysator, zijn hoge concentraties van Mg2+ of andere tweewaardige kationen vereist (50 tot 200 mM). Aan de andere kant worden bij Mg2+ in deze hoge concentraties, de RNA-polymeren* sterker afgebroken via hydrolyse. Als model voor primitieve cellen (protocellen) waarin de replicatie verloopt, gebruikt Szostak bolletjes (Latijn: blaasjes) van vetzuren. In deze blaasjes is de plek van de reactie door een lipide dubbellaag gescheiden van de omgeving. De vetzuren van deze dubbellaag vormen echter zouten met Mg2+ en daardoor worden de celachtige structuren vernietigd. Mg2+-ionen zijn dus voor de replicatie enerzijds vereist en anderzijds zijn ze destructief voor zowel de als matrices dienende RNA-polymeren alsmede vernietigend voor de omringende vetzuren-dubbellaag. Hier bestaan dus onverenigbare voorwaarden.
De nieuwe onderzoeken
In de RNA-wereld-hypothese spelen ribozymen een centrale rol: RNA-moleculen die zowel genetische informatie opslaan, alsmede enzym-achtige activiteit ontwikkelen. Het hier getoonde ribozym wordt hammerhead-ribozym genoemd vanwege zijn ruimtelijke structuur. Het wordt o.a. gebruikt door virussen bijv. om te knippen (splitsen) in RNA-moleculen.
De reactie voor de verlenging van korte RNA-startmoleculen verliep in een testexperiment in aanwezigheid van Mg2+ en citraat langzamer dan zonder citraat, omdat een deel van het Mg2+ door het citraat gebonden was. Maar de activiteit van de magnesiumionen was nog hoog genoeg om de reactie van de korte RNA-oligomeren* met geactiveerde nucleotiden mogelijk te maken.
Bij de replicatie van RNA gebaseerd op matrix-moleculen blijkt, dat de ontstane complementaire dubbele ketens moeilijk van elkaar gescheiden kunnen worden; ze vertonen een hoge smelttemperatuur. Voor de synthese van een volgend RNA-oligomeer in een volgende cyclus, is deze scheiding is echter essentieel. Mg2+ verhoogt ook de smelttemperatuur en verstoort ook daarmee de replicatie van RNA. Adamala & Szostak toonden aan dat in aanwezigheid van citraat de smelttemperatuur iets kan worden verlaagd (van 75 °C naar 71 °C).
Bij cellulaire RNA-polymerasen die de koppelingsreacties tussen RNA-polymeer en geactiveerde nucleotiden katalyseren, zijn eveneens magnesiumionen betrokken, die heel precies gedoseerd in het actieve centrum van het enzym een complex vormen met de aangrenzende aminozuren. Dus fijn uitgebalanceerde omstandigheden zorgen er in de cellulaire enzymen voor, dat het effect van Mg2+ optimaal is.
Adamala & Szostak benadrukken de positieve effecten die ze in hun reactiesysteem van niet-gekatalyseerde, matrix-gebaseerde RNA-replicatie in protocellen voor citraat konden aantonen: de lipide dubellagen van modelmembranen worden zelfs bij hoge Mg2+-concentraties slechts weinig beïnvloed, mits gelijktijdig de viervoudige molaire hoeveelheid citraat wordt toegevoegd. De complexering van Mg2+ door citraat vermindert weliswaar de werking ervan, maar er blijft nog genoeg activiteit voor een RNA-synthese onder de door hen gekozen laboratoriumomstandigheden.
Kritiek
De auteurs wezen er zelf op, dat citraat tot dusver niet beschreven is als prominent product in synthesereacties binnen de chemie van het ontstaan van het leven, ook niet toen Butch et al. (2013) mogelijke syntheseroutes van een vroege citroenzuurcyclus onderzochten. Daarmee is het nog niet duidelijk hoe de noodzakelijke regulering van de activiteit van Mg2+ in de RNA-wereld gerealiseerd kon worden, zonder beschikbaarheid van citraat. Bovendien laten Adamala & Szostak al zien, dat Mg2+ citraat onder speciale voorwaarden complexeert, die voldoende Mg2+-activiteit levert voor de reactie van geactiveerde nucleotiden en RNA-moleculen. Dit kan worden geïnterpreteerd als ondersteuning van de RNA-wereld-hypothese. De zeer speciale omstandigheden zoals o.a. zuiverheid van de gebruikte chemicaliën, op elkaar afgestemde concentraties, soort van geactiveerde nucleotiden en pH-waarde, beperken echter in ernstige mate de aannemelijkheid van het gepresenteerde reactiesysteem als eerste stap in een hypothetische RNA-wereld. Of inefficiënte synthesen van citraat of soortgelijke moleculen inderdaad bij “Organismen van de RNA-wereld” een selectiedruk in de richting van katalytisch actieve RNA’s oplevert, zoals Müller & Tor (2014) formuleren, moet nog worden aangetoond. In tegenstelling tot de vaak euforische ontvangst van onderzoeksresultaten zoals de hier gepresenteerde, tonen ze vooral dat het aankomt op de creativiteit van wetenschappers, zodat in het laboratorium omstandigheden worden gecreëerd, waarmee chemische problemen, zoals vermeld in de titel, kunnen worden opgelost. Meestal zijn deze oplossingen aan speciale randvoorwaarden gekoppeld, die het modelkarakter van het experimentele systeem voor een ongeleid ontstaan van leven drastisch beperken.
Verklarende woordenlijst
Geactiveerde nucleotiden: Om RNA-polymeren te kunnen verlengen met enkelvoudige nucleotiden, moeten die nucleotiden reactief zijn. In het laboratorium kan men dit bereiken door het aanbrengen van energierijke groepen. Hier wordt in de biosynthese het energierijke trifosfaat gebruikt. Matrix-ondersteunde synthese: De DNA-replicatie verloopt semiconservatief, d.w.z. een nieuwe DNA-streng wordt gesynthetiseerd op van een reeds bestaande enkele streng van de dubbele helix, die uit een oud en een nieuw gesynthetiseerd DNA-macromolecuul bestaat. Dit principe werkt ook voor RNA-polymeren. Oligomeer: Ketenvormig molecuul, bestaande uit enkele bouwstenen. Polymeer: Lang ketenvormig molecuul dat bestaat uit veel moleculaire bouwstenen. Ribozymen: RNA-polymeren met enzymatische eigenschappen, d.w.z. ze kunnen bepaalde reacties alsmede hun chemisch actieve functies katalyseren, als gevolg van hun driedimensionale structuur. De term werd gevormd door samenvoeging van ribonucleïnezuur en enzym. RNA-wereld: De RNA-wereld-hypothese zegt, dat RNA-moleculen bij het ontstaan van de eerste levende systemen van fundamenteel belang zijn. De opslag van informatie wordt gerealiseerd door de volgorde van de nucleotiden. De driedimensionale structuur van het polymeer vertoont eigenschappen van enzymen; die kunnen sommige metabole reacties katalyseren. In het laboratorium zijn verschillende strategieën ontwikkeld voor de productie van ribozymen voor diverse biochemische processen. Hoe RNA-moleculen onder ongecontroleerde omstandigheden gesynthetiseerd kunnen worden, is onbekend. De RNA-wereld is momenteel nog steeds de populairste verklaring voor het ontstaan van het leven; er worden daarbij eenvoudige reactie-netwerken voorgesteld, als eenvoudige voorlopers van de stofwisseling.
Literatuur
Adamala, K. & Szostak, J.W., (2013) Nonenzymatic template-directed RNA synthesis inside model protocells, Science 342: 1089-1100.
Butch, C., Cope, E.D., Pollet, P., Gelbaum, L., Krishnamurthy, R. & Liotta, C.L., (2013) Production of tartrates by cyanide-mediated dimerization of glyoxylate: a potential abiotic pathway to the citric acid cycle, J. A. Chem. Soc. 135: 13440-13445.
Müller, U.F. & Tor, Y., (2014) Zitronensäure und die RNA-Welt, Angew. Chem. 126, 5346-5348.
Szostak, J.W., (2012) The eightfold path to non-enzymatic RNA replication, J. Syst. Chem. 3:2
Dit artikel is met toestemming overgenomen van Wort-und-Wissen. De volledige bronvermelding luidt: Binder, H., 2014, Magnesiumionen: Notwendig und (zer-)störend in der RNA-Welt, Studium Integrale Journal 21 (2): 97-99. (Artikel)
