02 december 2013

Synthese van primitief leven in het lab: RNA + vetzuur + magnesium + citraat

Jack Szostak ©Science
Het is voor het eerst gelukt om RNA-replicatie aan de gang te krijgen binnen in een primitieve cel in het laboratorium. Dit is een belangrijke stap om leven te creëren in het laboratorium en op die manier inzicht te krijgen in het probleem van het ontstaan van het leven op aarde. De resultaten werden afgelopen vrijdag 29 november in Science gepubliceerd.

De meeste Origin of Life onderzoekers werken met de hypothese dat het huidige leven –dat op DNA en eiwit is gebaseerd– voorafgegaan moet zijn door een RNA wereld ('RNA World'). Dat is een hypothetische fase in de oorsprong van het leven waar DNA en eiwitten nog geen rol speelden. RNA functioneert daarbij als het 'erfelijkheidsmolecuul' in plaats van DNA en tegelijk als enzym in plaats van eiwitten. Het probleem om voldoende lange stabiele RNA moleculen te laten ontstaan en het RNA zichzelf te laten vermenigvuldigen (RNA replicatie) zonder de hulp van enzymen was al eerder opgelost [1]. Magnesium ionen ( Mg2++ ) bleken daarbij cruciaal. Maar dat leverde ook een groot probleem op als je deze processen in een primitieve cel [2] wilde laten verlopen. Het magnesium brak de membraam af. Het leek er dus op dat je óf RNA replicatie kunt hebben buiten een cel, óf niet-replicerend RNA binnen een cel. Het één sloot het ander uit. Nu hebben ze dat dilemma opgelost met citraat [3]. Het citraat beschermde de membraan tegen afbraak door magnesium, maar het magnesium bleef in voldoende mate beschikbaar voor RNA-replicatie. Dus de formule voor een primitieve cel ziet er betrekkelijk simpel uit:
RNA + vetzuur + magnesium + citraat. 
Andere onderzoekers zijn het er over eens dat het een belangrijke stap is in de richting van het creeëren van synthetisch leven in het lab.

Wat mij verbaasde als chemisch leek is dat de onderzoekers honderden chemische stoffen moesten testen voordat ze op citraat kwamen (een zeer tijdrovende en frustrerende klus). Ik dacht dat die kennis wel aanwezig was. Maar als dit soort kennis niet aanwezig is, dan is het geen wonder dat men het Origin of Life probleem niet kan oplossen. De stagnatie lijkt dus veroorzaakt te worden door fundamenteel 'onoplosbare' chemische problemen. Maar in feite zijn de chemische eigenschappen van moleculen en combinaties daarvan gewoon niet volledig bekend. Maar dan is er reden tot optimisme. Want die kennis is te verwerven door trial-and-error onderzoek en stug volhouden.

Er zijn enige kanttekeningen te maken bij deze resultaten. Szostak zelf merkt op dat citraat niet spontaan gevormd zou kunnen worden op de primitieve aarde [4]. Hij zoekt verder naar een alternatief.

We hebben nu een primitieve cel met RNA die zich onder bepaalde omstandigheden zou kunnen delen met behoud van de RNA polymeren die er in zitten. Dan heb je in principe de basis voor Darwiniaanse evolutie [5]: als er verschil is in efficiëntie waarmee RNA zich repliceert en 'cellen' zich delen, dan zullen de efficiëntere cellen relatief in aantal toenemen ten opzichte van de minder efficiënte. Méér heb je niet nodig voor evolutie. Dan wordt het voor een (evolutie)bioloog ook interessant! Vragen als: wat 'doet' die cel nu eigenlijk voor nuttigs? of: is dit wel écht leven? zijn niet relevant voor de vraag of er evolutie plaats vindt. Als er variatie is in efficiëntie en als dat op de één of andere manier overgeërfd kan worden, staat de weg open voor Darwiniaanse evolutie.

Echter, de cruciale vraag lijkt mij deze: draagt RNA in de cel bij aan de efficiëntie van het hele gebeuren? Helpt RNA de celdeling? Helpt de celmembraan RNA replicatie? Pas dan heb je een winnend team van RNA-replicatie en celdeling. Misschien zullen cellen zonder RNA zich net zo goed of zelfs beter delen? Voor zover ik kan zien zijn het gewoon losse componenten. Het is mogelijk dat de membraan een gunstig effect heeft op RNA replicatie doordat het voor hogere concentraties van betrokken stoffen binnen de cel zorgt. Dan heb je een eenzijdig gunstig effect van één component op de andere. 
De volgorde van het RNA molecuul (sequence) heeft geen enkele betekenis. Immers, de RNA volgorde codeert nergens voor [zie: Postscript]. Als het RNA voor membraan bouwstenen zou coderen, zouden beide componenten gunstige effecten op elkaar kunnen hebben. Omdat het RNA nergens voor codeert, zal de nauwkeurigheid van RNA replicatie ook geen enkel positief of negatief effect hebben op het hele systeem. In het leven zoals we dat nu kennen speelt de volgorde van het DNA een cruciale, onmisbare rol in het succes van de cel. Maar, er zit geen informatie in het RNA die de primitieve cel zou kunnen helpen om te overleven en zich te vermenigvuldigen. Het RNA is niets meer en niets minder dan een kort molecuul met willekeurige volgorde die zichzelf repliceert. Zondermeer een prestatie, maar het helpt de cel niet. Ik weet niet of de chemicus Szostak zich van dit probleem bewust is [6].

Bronnen

Noten
  1. Enzymen kunnen alleen met behulp van DNA en ingewikkelde machinerie geproduceerd worden. RNA kan zijn eigen vorming katalyseren; RNA-replicatie = een kopie van je zelf maken.
  2. Een primitieve cel met een membraam levert in eerste instantie evenveel problemen als oplossingen op: het moet een lekkende membraam zijn om bouwstoffen naar binnen te laten gaan. De oplossing is de moleculen bij elkaar te houden in een compartiment ('compartmentalized') door middel van een afscheiding, een membraan. Als je dat hebt opgelost moet je vervolgens het probleem oplossen hoe je zo'n primitieve cel kunt laten delen waarbij de inhoud gelijk verdeeld wordt over de dochtercellen.
  3. citrate: een stofje dat in buffer oplossingen wordt gebruikt en een rol speelt in metabolisme.
  4. En ik als chemisch leek zou daar aan toevoegen: er zitten 7 zuurstof atomen in citraat en er was niet veel zuurstof aanwezig op de primitieve aarde toen er nog geen zuurstof in grote hoeveelheden door fotosynthese geproduceerd werd. 
  5. In het Science artikel komt het woord 'evolutie'  helemaal niet voor. Wel in het interview dat Science met Szostak had ('The Life Force'). In het Science artikel is Szostak veel voorzichtiger, maar in het interview wil hij wel degelijk het ontstaan van het leven verklaren. Volgens mij kan er evolutie ontstaan onder de RNA moleculen in deze zin: sequenties die het makkelijkst repliceren (als die er zijn) zullen in frequentie toenemen. (toegevoegd: 3 Dec 2013)
  6. Wie ben ik dat ik een kritisch commentaar durf te geven op het werk van een Nobelprijswinnaar?! Ik denk dat we moeten kijken naar het doel van dit experiment: is het uitsluitend het maken van een werkende minimale synthetische cel of een bijdrage aan de oplossing van het probleem van het ontstaan van het leven? Het eeste is beperkter, het tweede is een grote claim. Bij synthetisch leven mag je alle chemische stoffen toevoegen die nodig zijn. Bij Origin-of-Life experimenten alleen stoffen die abiotisch kunnen ontstaan. In de titel staat 'model protocells'; dat klinkt als synthetisch leven. Maar direct al in de Abstract staat 'prebiotically plausible protocell' en in het artikel staat driemaal 'prebiotically plausible', dat suggereert dat hij wel degelijk een synthetische cel wil maken die ook op de prebiotische aarde had kunnen ontstaan. Dus de twee doelen lopen door elkaar heen. Wat er ontbreekt aan dit artikel is een expliciete beantwoording van de vraag: zijn alle ingredienten die gebruikt worden in dit experiment prebiotically plausible? (dus niet alleen citraat). Aangezien hij een RNA primer en geactiveerde nucleotides toevoegt lijkt mij het antwoord: waarschijnlijk niet. En ook van de bouwstenen van de membraan had ik graag willen weten of ze prebiotisch kunnen ontstaan. (toegevoegd: 3 Dec 2013, gewijzigd: 4 dec)
Vorige blogs:

New origin of life model fatally requires a nonrandom protein, 24 dec 2012

achtergrond info:

Exploring Life's Origins (Szostak. tekst, illustraties, animaties)

Jack W Szostak (2012) The eightfold path to non-enzymatic RNA replication, Journal of Systems Chemistry 2012, 3:2 (Open Access) 

Volgende blog: 'Het ontstaan van het leven en de zin van het leven'  (12 dec) 

Postscript
9 Jan 2014

Een lezer merkte op: Er zit wel degelijk informatie in de volgorde van het RNA, namelijk de intrinsieke informatie over hoe datzelfde RNA gevouwen gaat worden. Dit is juist. Er is echter één kanttekening: er zit weliswaar 3D informatie in RNA (ook in de RNA-world), en er zit 3D informatie in DNA, maar dat zijn totaal verschillende soorten informatie! Ik zie geen geleidelijke evolutionaire overgang van informatie type 1 naar informatie type 2 mogelijk. Informatie in de RNA-world codeert voor bases, informatie in de DNA-world codeert voor aminozuren. En er is geen relatie tussen die twee omdat aminozuren op een heel andere wijze een 3D structuur bepalen dan bases in enkelstrengs-RNA een 3D structuur bepalen. De overeenkomst tussen beide informatie types is dat ze allebei 3D structuren bepalen, maar het verschil is dat ze dat op geheel andere, niet compatibele wijze doen.
Dat neemt niet weg dat 3D informatie in enkelstrengs RNA ook tegenwoordig nog steeds een rol speelt. De DNA-eiwit informatie is te beschouwen als een toevoeging aan de RNA-informatie.

4 opmerkingen:

Bastiaan zei

Een kleine, wat late, kanttekening van mijn kant bij dit interessante stuk. De basenvolgorde of 'sequence' van het RNA-molecuul is wel degelijk van belang! Waarom? Omdat de basenvolgorde bepalend is voor de ruimtelijke structuur die het RNA-molecuul gaat aannemen. Er zit dus wel degelijk informatie in de volgorde van het RNA, namelijk de intrinsieke informatie over hoe datzelfde RNA gevouwen gaat worden. En de structuur die het RNA aanneemt is weer bepalend voor zijn activiteit! Is het katalytisch actief, kan het zichzelf repliceren of niet. Veranderingen in de RNA sequentie kunnen dan toch grote gevolgen hebben. Bijvoorbeeld: het RNA is niet meer actief, actiever, een veranderde specificiteit, etc. Dit is iets waar natuurlijke selectie op kan aangrijpen.

Gr. Bastiaan

Gert zei

Bastiaan: je hebt helemaal gelijk! RNA kan informatie bevatten! Net als DNA en eiwitten. Bedankt! En inderdaad kan natuurlijke selectie aangrijpen op verschillen in katalytisch vermogen. Alleen: er is daarmee nog geen verschil tussen zelfreplicerend DNA buiten een cel en binnen een cel... Wat is het voordeel van RNA om in een cel te zitten? Zie ook mijn blog van 12 dec.

Gert korthof zei

Bastiaan, toch nog een kleine kanttekening: er zit 3D informatie in RNA ook in de RNA-world, en er zit 3D informatie in DNA, maar dat zijn totaal verschillende soorten informatie! Er is principieel geen geleidelijke evolutionaire overgang van informatie type 1 naar informatie type 2 mogelijk. Informatie in de RNA-world codeert voor bases, informatie in de DNA-world codeert voor aminozuren. En er is geen relatie tussen die twee omdat aminozuren op een heel andere wijze een 3D structuur bepalen dan bases een 3D structuur bepalen. De overeenkomst tussen beide informatie types is dat ze allebei 3D structuren bepalen, maar het verschil is dat ze dat op geheel andere, niet compatibele wijze doen.

Arnold zei

Interessant artikel