Entdeckung stützt eine überraschende neue Sichtweise auf die Entstehung des Lebens auf der Erde

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Entdeckung stützt Theorie, dass das Leben auf unserem Planeten aus einem RNA-DNA-Mix entstanden ist.
Chemiker von Scripps Research haben eine Entdeckung gemacht, die eine überraschende neue Sichtweise auf die Entstehung des Lebens auf unserem Planeten unterstützt.
In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde, wiesen sie nach, dass eine einfache Verbindung namens Diamidophosphat (DAP), die vermutlich auf der Erde vorhanden war, bevor das Leben entstand, winzige DNA-Bausteine, die sogenannten Deoxynukleoside, chemisch zu Strängen der ursprünglichen DNA zusammengefügt haben könnte.
Die Entdeckung ist die jüngste in einer Reihe von Entdeckungen der letzten Jahre, die auf die Möglichkeit hinweisen, dass die DNA und ihr naher chemischer Cousin, die RNA, zusammen als Produkte ähnlicher chemischer Reaktionen entstanden sind, und dass die ersten sich selbst replizierenden Moleküle – die ersten Lebensformen auf der Erde – Mischungen aus beiden waren.

Die Entdeckung könnte auch zu neuen praktischen Anwendungen in der Chemie und Biologie führen, aber ihre Hauptbedeutung liegt darin, dass sie die uralte Frage beantwortet, wie das Leben auf der Erde zuerst entstanden ist.

Insbesondere ebnet sie den Weg für umfangreichere Studien darüber, wie sich selbstreplizierende DNA-RNA-Mischungen auf der Urerde entwickelt und verbreitet haben könnten und schließlich die reifere Biologie moderner Organismen begründeten.
“Dieser Befund ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Entwicklung eines detaillierten chemischen Modells, wie die ersten Lebensformen auf der Erde entstanden sind”, sagt der Hauptautor der Studie Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, außerordentlicher Professor für Chemie bei Scripps Research.
Die Entdeckung stößt auch das Feld der Chemie der Lebensentstehung weg von der Hypothese, die es in den letzten Jahrzehnten dominiert hat: Die “RNA World”-Hypothese postuliert, dass die ersten Replikatoren RNA-basiert waren und die DNA erst später als Produkt von RNA-Lebensformen entstanden ist.
Ist RNA zu klebrig?
Krishnamurthy und andere haben die RNA-World-Hypothese zum Teil deshalb angezweifelt, weil RNA-Moleküle einfach zu “klebrig” gewesen sein könnten, um als erste Selbstreplikatoren zu dienen.
Ein RNA-Strang kann andere einzelne RNA-Bausteine anziehen, die dann an ihm haften, um eine Art spiegelbildlichen Strang zu bilden – jeder Baustein des neuen Strangs bindet an seinen komplementären Baustein auf dem ursprünglichen, “Vorlage”-Strang.

Wenn sich der neue Strang vom Vorlagenstrang ablösen kann und durch den gleichen Prozess andere neue Stränge als Vorlage bildet, dann hat er das Kunststück der Selbstreplikation vollbracht, das dem Leben zugrunde liegt.
Aber während RNA-Stränge gut darin sein mögen, komplementäre Stränge als Vorlage zu verwenden, sind sie nicht so gut darin, sich von diesen Strängen zu trennen. Moderne Organismen stellen Enzyme her, die verzwillingte RNA- oder DNA-Stränge dazu zwingen können, getrennte Wege zu gehen und so die Replikation zu ermöglichen, aber es ist unklar, wie dies in einer Welt geschehen konnte, in der es noch keine Enzyme gab.
Eine chimäre Abhilfe
Krishnamurthy und Kollegen haben in neueren Studien gezeigt, dass “chimäre” Molekülstränge, die zum Teil aus DNA und zum Teil aus RNA bestehen, dieses Problem möglicherweise umgehen konnten, weil sie komplementäre Stränge auf eine weniger klebrige Weise schablonieren können, die es ihnen erlaubt, sich relativ leicht zu trennen.
Die Chemiker haben in den letzten Jahren in viel zitierten Arbeiten auch gezeigt, dass die einfachen Ribonukleosid- und Desoxynukleosid-Bausteine von RNA bzw. DNA unter sehr ähnlichen chemischen Bedingungen auf der frühen Erde entstanden sein könnten.
2017 berichteten sie zudem, dass die organische Verbindung DAP die entscheidende Rolle gespielt haben könnte, Ribonukleoside zu modifizieren und zu den ersten RNA-Strängen aneinanderzureihen.

Die neue Studie zeigt, dass DAP unter ähnlichen Bedingungen das Gleiche für die DNA getan haben könnte.
“Zu unserer Überraschung fanden wir heraus, dass die Reaktion von DAP mit Desoxynukleosiden besser funktioniert, wenn die Desoxynukleoside nicht alle gleich sind, sondern stattdessen Mischungen aus verschiedenen DNA-‘Buchstaben’ wie A und T oder G und C, wie bei echter DNA”, sagt Erstautor Eddy Jiménez, PhD, ein Postdoc im Krishnamurthy-Labor.
“Jetzt, da wir besser verstehen, wie eine ursprüngliche Chemie die ersten RNAs und DNAs gebildet haben könnte, können wir damit beginnen, sie auf Mischungen von Ribonukleosid- und Desoxynukleosid-Bausteinen anzuwenden, um zu sehen, welche chimären Moleküle gebildet werden – und ob sie sich selbst replizieren und weiterentwickeln können”, sagt Krishnamurthy.
Er merkt an, dass die Arbeit auch breite praktische Anwendungen haben könnte.

Die künstliche Synthese von DNA und RNA – zum Beispiel in der “PCR”-Technik, die den COVID-19-Tests zugrunde liegt – stellt weltweit ein riesiges Geschäft dar, hängt aber von Enzymen ab, die relativ anfällig sind und daher viele Einschränkungen haben. Robuste, enzymfreie chemische Methoden zur Herstellung von DNA und RNA könnten sich in vielen Zusammenhängen als attraktiver erweisen, meint Krishnamurthy.
Referenz: “Prebiotic Phosphorylation and Concomitant Oligomerization of Deoxynucleosides to form DNA” von Eddy Jiménez, Clémentine Gibard und Ramanarayanan Krishnamurthy, 15. Dezember 2020, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002/anie.202015910
Die Finanzierung erfolgte durch die Simons Foundation.

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