För fyra miljarder år sedan uppstod de första molekylära föregångarna till liv, virvlande runt i jordens primordiala soppa av kemikalier. Även om identiteten på dessa molekyler fortfarande är föremål för en intensiv debatt, är forskarna överens om att molekylerna måste ha utfört två viktiga funktioner: att lagra information och katalysera kemiska reaktioner. Den moderna cellen tilldelar DNA respektive proteiner dessa ansvarsområden – men enligt den berättelse som dominerar forskningen om livets ursprung och beskrivningar i biologiläroböcker i dag var RNA den första som spelade denna roll och banade väg för DNA och proteiner att ta över senare.
Denna hypotes, som föreslogs på 1960-talet och som två decennier senare kallades för ”RNA-världen”, brukar betraktas som den mest sannolika förklaringen till hur livet fick sin början. Alternativa ”världar” finns i överflöd, men de ses ofta som reservteorier, fantasifulla eller nyckfulla tankeexperiment.
Det beror främst på att RNA-världen, bortsett från teoribildningen, är stärkt av mycket mer experimentella bevis än vad någon av dess konkurrenter har samlat. Förra månaden rapporterade Quanta Magazine om en alternativ teori som föreslår att proteinliknande molekyler, snarare än RNA, kan ha varit planetens första självreplikatorer. Men dess resultat var rent beräkningsmässiga; forskarna har bara börjat experimentera för att söka stöd för sina påståenden.
Nu har ett forskarpar lagt fram en annan teori – den här gången med samutveckling av RNA och peptider – som de hoppas ska skaka om RNA-världens grepp.
Varför RNA var otillräckligt
I nyligen publicerade artiklar i Biosystems and Molecular Biology and Evolution beskrevs varför RNA-världshypotesen inte ger en tillräcklig grund för de evolutionära händelser som följde. Enligt Charles Carter, strukturbiolog vid University of North Carolina, Chapel Hill, som är medförfattare till artiklarna, utgör modellen i stället ”ett ändamålsenligt förslag”. ”Det finns ingen möjlighet att en enda polymer skulle kunna utföra alla nödvändiga processer som vi nu karakteriserar som en del av livet”, tillade han.
Och den enda polymeren kunde definitivt inte vara RNA, enligt hans grupps studier. Den främsta invändningen mot molekylen gäller katalysen: En del forskning har visat att den mystiska polymeren skulle ha varit tvungen att samordna hastigheterna för kemiska reaktioner som kan skilja sig åt i hastighet med så mycket som 20 storleksordningar för att livet skulle kunna få fotfäste. Även om RNA på något sätt kunde göra detta i den prebiotiska världen skulle dess kapacitet som katalysator ha anpassats till de brännande temperaturer – omkring 100 grader Celsius – som rådde på den tidiga jorden. När planeten började svalna, hävdar Carter, skulle RNA inte ha kunnat utvecklas och hålla igång arbetet med synkroniseringen. Inom kort skulle symfonin av kemiska reaktioner ha hamnat i oordning.
Kanske viktigast är att en värld med enbart RNA inte skulle kunna förklara uppkomsten av den genetiska koden, som nästan alla levande organismer idag använder sig av för att översätta genetisk information till proteiner. Koden tar var och en av de 64 möjliga RNA-sekvenserna med tre nukleotider och kopplar dem till en av de 20 aminosyror som används för att bygga proteiner. Att hitta en uppsättning regler som är tillräckligt robusta för att göra detta skulle ta alldeles för lång tid med enbart RNA, säger Peter Wills, Carters medförfattare vid University of Auckland i Nya Zeeland – om RNA-världen ens skulle kunna nå den punkten, vilket han anser vara högst osannolikt. Enligt Wills uppfattning kan RNA ha kunnat katalysera sin egen bildning, vilket gör det ”kemiskt reflexivt”, men det saknade vad han kallade ”beräkningsteknisk reflexivitet”.
”Ett system som använder information på det sätt som organismer använder genetisk information – för att syntetisera sina egna komponenter – måste innehålla reflexiv information”, sade Wills. Han definierade reflexiv information som information som, ”när den avkodas av systemet, tillverkar de komponenter som utför exakt den specifika avkodningen”. RNA i RNA-världshypotesen, tillade han, är bara kemi eftersom det inte har något sätt att kontrollera sin kemi. ”RNA-världen säger ingenting om genetik”, sade han.
Naturen var tvungen att hitta en annan väg, en bättre genväg till den genetiska koden. Carter och Wills tror att de har upptäckt den genvägen. Den är beroende av en snäv återkopplingsslinga – en slinga som inte skulle ha utvecklats från enbart RNA utan i stället från ett peptid-RNA-komplex.
Peptider i mixen
Carter hittade antydningar om det komplexet i mitten av 1970-talet, när han under sin forskarutbildning lärde sig att vissa strukturer som ses i de flesta proteiner är ”högerhänta”. Det vill säga att atomerna i strukturerna skulle kunna ha två likvärdiga spegelvända arrangemang, men alla strukturer använder bara ett. De flesta nukleinsyror och sockerarter som utgör DNA och RNA är också högerhänta. Carter började tänka på RNA och polypeptider som kompletterande strukturer, och han modellerade ett komplex där ”de var gjorda för varandra, som en hand i en handske”
Detta innebar en elementär typ av kodning, en grund för informationsutbytet mellan RNA och polypeptiden. Han var på väg att skissa hur detta kunde ha sett ut, genom att arbeta bakåt från den mycket mer sofistikerade moderna genetiska koden. När RNA-världen, som myntades 1986, blev känd erkände Carter: ”Jag var ganska förbannad”. Han kände att hans peptid-RNA-värld, som han föreslagit tio år tidigare, hade ignorerats fullständigt.
Sedan dess har han, Wills och andra samarbetat kring en teori som går tillbaka på den forskningen. Deras huvudmål var att ta reda på den mycket enkla genetiska koden som föregick dagens mer specifika och komplicerade kod. Och därför vände de sig inte bara till beräkning utan också till genetik.
I centrum för deras teori står 20 ”laddande” molekyler som kallas aminoacyl-tRNA-syntetaser. Dessa katalytiska enzymer gör det möjligt för RNA att binda sig till specifika aminosyror i enlighet med reglerna i den genetiska koden. ”På sätt och vis är den genetiska koden ’skriven’ i specificiteten hos de aktiva platserna” för dessa enzymer, säger Jannie Hofmeyr, biokemist vid Stellenbosch University i Sydafrika, som inte var involverad i studien.