Vier miljard jaar geleden ontstonden de eerste moleculaire voorlopers van leven, ronddwarrelend in de oersoep van chemicaliën op aarde. Hoewel over de identiteit van deze moleculen nog steeds heftig wordt gediscussieerd, zijn wetenschappers het erover eens dat de moleculen twee belangrijke functies moeten hebben gehad: het opslaan van informatie en het katalyseren van chemische reacties. De moderne cel wijst deze verantwoordelijkheden toe aan respectievelijk zijn DNA en zijn eiwitten – maar volgens het verhaal dat tegenwoordig het onderzoek naar de oorsprong van het leven en de beschrijvingen in biologie-teksten domineert, was RNA de eerste die deze rol speelde, en maakte het de weg vrij voor DNA en eiwitten om die later over te nemen.
Deze hypothese, die in de zestiger jaren werd voorgesteld en twee decennia later de “RNA wereld” werd genoemd, wordt gewoonlijk gezien als de meest waarschijnlijke verklaring voor hoe het leven is ontstaan. Alternatieve “werelden” zijn er in overvloed, maar ze worden vaak gezien als noodoplossingstheorieën, luchtkastelen of grillige gedachte-experimenten.
Dat komt vooral omdat, los van de theorievorming, de RNA-wereld wordt geschraagd door veel meer experimenteel bewijs dan al zijn concurrenten hebben verzameld. Vorige maand berichtte Quanta Magazine over een alternatieve theorie die suggereert dat eiwitachtige moleculen, in plaats van RNA, de eerste zelfreplicators van de planeet zouden kunnen zijn geweest. Maar de bevindingen waren puur rekenkundig; de onderzoekers zijn nog maar net begonnen met experimenten om ondersteuning voor hun beweringen te zoeken.
Nu heeft een paar onderzoekers een andere theorie naar voren gebracht – deze keer waarbij de co-evolutie van RNA en peptiden een rol speelt – waarvan zij hopen dat deze de greep van de RNA-wereld zal doen wankelen.
Waarom RNA ontoereikend was
Onlangs gepubliceerde artikelen in Biosystems and Molecular Biology and Evolution gaven aan waarom de RNA-wereldhypothese geen afdoende basis biedt voor de evolutionaire gebeurtenissen die volgden. In plaats daarvan, zegt Charles Carter, een structuurbioloog aan de Universiteit van North Carolina, Chapel Hill, die mede-auteur was van de artikelen, vertegenwoordigt het model “een opportuun voorstel”. “Het is onmogelijk dat een enkel polymeer alle noodzakelijke processen zou kunnen uitvoeren die we nu karakteriseren als onderdeel van het leven,” voegde hij eraan toe.
En dat enkele polymeer zou zeker niet RNA kunnen zijn, volgens de studies van zijn team. Het belangrijkste bezwaar tegen de molecule betreft de katalyse: Uit sommige onderzoeken is gebleken dat het mysterieuze polymeer, om leven te laten ontstaan, de snelheid van chemische reacties zou moeten coördineren, waarvan de snelheid wel 20 orden van grootte zou kunnen verschillen. Zelfs als RNA dit op de een of andere manier in de prebiotische wereld had kunnen doen, dan zou zijn vermogen als katalysator aangepast moeten zijn aan de verzengende temperaturen – rond de 100 graden Celsius – die op de vroege Aarde heersten. Toen de planeet eenmaal begon af te koelen, aldus Carter, zou RNA niet meer in staat zijn geweest zich te ontwikkelen en het synchronisatiewerk vol te houden. De symfonie van chemische reacties zou dan al snel in het slop zijn geraakt.
Het belangrijkste is misschien wel dat een wereld waarin alleen RNA bestaat, niet het ontstaan van de genetische code kan verklaren, die bijna alle levende organismen tegenwoordig gebruiken om genetische informatie om te zetten in eiwitten. De code neemt elk van de 64 mogelijke RNA-sequenties van drie nucleotiden en koppelt deze aan een van de 20 aminozuren die worden gebruikt om eiwitten te maken. Het zou veel te lang duren om alleen met RNA een stel regels te vinden die robuust genoeg zijn om dat te doen, aldus Peter Wills, Carter’s co-auteur aan de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland – als de RNA-wereld al zover zou komen, wat hij hoogst onwaarschijnlijk acht. Volgens Wills kon RNA misschien zijn eigen vorming katalyseren, waardoor het “chemisch reflexief” werd, maar het ontbrak aan wat hij “computationele reflexiviteit” noemde.
“Een systeem dat informatie gebruikt op de manier waarop organismen genetische informatie gebruiken – om hun eigen componenten te synthetiseren – moet reflexieve informatie bevatten,” aldus Wills. Hij definieerde reflexieve informatie als informatie die, “wanneer gedecodeerd door het systeem, de componenten maakt die precies die specifieke decodering uitvoeren.” Het RNA van de RNA-wereld hypothese, voegde hij eraan toe, is slechts chemie omdat het geen middelen heeft om zijn chemie te controleren. “De RNA-wereld vertelt je niets over genetica,” zei hij.
De natuur moest een andere route vinden, een betere kortere weg naar de genetische code. Carter en Wills denken dat ze die kortere weg hebben gevonden. Het hangt af van een strakke terugkoppelingslus – een die zich niet zou hebben ontwikkeld uit RNA alleen, maar in plaats daarvan uit een peptide-RNA complex.
Bringing Peptides In the Mix
Carter vond aanwijzingen voor dat complex in het midden van de jaren zeventig, toen hij op de universiteit leerde dat bepaalde structuren die in de meeste eiwitten worden gezien “rechtshandig” zijn. Dat wil zeggen, de atomen in de structuren zouden twee gelijkwaardige spiegelbeeldopstellingen kunnen hebben, maar de structuren gebruiken er allemaal slechts één. De meeste nucleïnezuren en suikers waaruit DNA en RNA bestaan, zijn ook rechtshandig. Carter begon RNA en polypeptiden als complementaire structuren te zien, en modelleerde een complex waarin “zij voor elkaar gemaakt waren, als een hand in een handschoen.”
Dit impliceerde een elementaire vorm van codering, een basis voor de uitwisseling van informatie tussen het RNA en het polypeptide. Hij was op weg om te schetsen hoe dat eruit zou kunnen hebben gezien, terugwerkend vanuit de veel geavanceerdere moderne genetische code. Toen de RNA-wereld, bedacht in 1986, bekendheid kreeg, gaf Carter toe: “Ik was behoorlijk pissig.” Hij had het gevoel dat zijn peptide-RNA wereld, die hij tien jaar eerder had voorgesteld, totaal genegeerd was.
Sindsdien hebben hij, Wills en anderen samengewerkt aan een theorie die teruggrijpt op dat onderzoek. Hun hoofddoel was de zeer eenvoudige genetische code te achterhalen die voorafging aan de huidige meer specifieke en gecompliceerde code. En dus wendden zij zich niet alleen tot de computer maar ook tot de genetica.
In het centrum van hun theorie staan 20 “laad”-moleculen, aminoacyl-tRNA synthetases genaamd. Deze katalytische enzymen maken het mogelijk dat RNA zich bindt aan specifieke aminozuren volgens de regels van de genetische code. “In zekere zin is de genetische code ‘geschreven’ in de specificiteit van de actieve sites” van deze enzymen, zei Jannie Hofmeyr, een biochemicus aan de Stellenbosch Universiteit in Zuid-Afrika, die niet betrokken was bij de studie.