Waarom DNA? (2) Alternatief DNA

Even een kort blogje in telegramstijl naar aanleiding van vragen en opmerkingen van blogbezoekers. Wat ik bedoel met 'alternatieven voor DNA' zijn niet de DNA-vormen als Z-DNA of B-DNA, want dat is nog steeds DNA. Wat ik bedoel zijn chemische alternatieven voor DNA. Ik heb hieronder een lijstje gemaakt van alles wat ik gevonden heb (méér dan ik aanvankelijke dacht):

• DNA: Deoxy-ribo Nucleic Acid (bevat deoxy-ribose in de backbone)
  Dit is de huidige universele standaard voor informatie opslag in het leven op aarde
• RNA: Ribo Nucleic Acid (deoxy-ribose is vervangen door ribose)
  Dit is de huidige standaard voor duizend nuttige andere taken! Zie ook [7]
• pRNA: pyranosyl-RNA (kan niet met RNA paren?)
  "the pyranosyl isomer of RNA (p-RNA), exhibits Watson-Crick pairing that is far stronger than that in RNA" [2].
• TNA: Threose Nucleic Acid  (-ribose vervangen door threose, tetrose)
  Tetrose sugars with their four-carbon ring structure could be more readily synthesized in a prebiotic world than the pentose sugars of DNA and RNA because they can be assembled directly from two identical two-carbon fragment [1]. "It was possible to match the geometry of the analog to that of RNA" [1]
• PNA: Peptide Nucleic Acid (-ribose vervangen door N-(2-aminoethyl)-glycine) [4][5]
  "It has been hypothesized that the earliest life on Earth may have used PNA as a genetic material due to its extreme robustness, simpler formation and possible spontaneous polymerization at 100°C" (wiki)
• GNA: Glycol Nucleic Acid (-ribose vervangen door glycerol)
  "Interestingly, the Watson-Crick base pairing is much more stable in GNA than its natural counterparts DNA and RNA as it requires a high temperature to melt a duplex of GNA. It is possibly the simplest of the nucleic acids, so making it a hypothetical precursor to RNA". (wiki). "GNA is structurally the most simplified solution for a phosphodiester-containing nucleic acid backbone and thus constitutes a promising candidate for initial genetic molecules of life. Unique combination of high duplex stability, base pairing fidelity, and easy synthetic access of its nucleotides" (Duplex Structure of a Minimal Nucleic Acid), (A Simple Glycol Nucleic Acid) [15 Feb]
• HNA: hexitol nucleic acid
  hexitol is een 6-ring i.t.t. ribose dat een 5-ring suiker is. Alternatieve backbone: suiker vervangen door hexitol. HNA duplexes are even more stable. Normal Watson−Crick base pairing, similar base stacking patterns
• As-DNA: DNA waar fosfaat is vervangen door Arseen! Dit is erg controversieel en onbewezen! Zie een paar oude blogs: [3] Maar is erg nuttig om flexibel te blijven denken.

Merk op dat steeds de -ribose, of in ieder geval iets in de backbone, is vervangen. Ribose is onderdeel van de 'backbone' (ruggegraat) die de bases (A,T,C,G) in het DNA verbinden. De basevolgorde (niet de bases zelf) is de genetische code die de informatie bevat voor de aanmaak van eiwitten. Wanneer je iets in de backbone vervangt, tast je niet de genetische informatie aan. Dus: waarom zou je de backbone niet mogen wijzigen? Dat mag wel. Je kunt het proberen en kijken wat er gebeurt.

Alternatieven scheppen keuzevrijheid
Juist omdat er chemische alternatieven voor DNA bestaan, ontstaat de vraag: Waarom DNA? Waarom heeft het leven DNA gekozen? Omdat er toen (bij het ontstaan van het leven) niets anders voorhanden was? Maar als de alternatieven TNA, PNA, GNA spontaan op de prebiotische aarde gesynthetiseerd konden worden, dan waren er wel degelijk alternatieven, en waarom zijn die dan niet gebruikt? Of zijn ze wel gebruikt maar hebben ze geen sporen achtergelaten? Is DNA de winnaar van vele andere erfelijkheidsmoleculen?

Eisen aan levensvatbare alternatieven voor DNA

1. moeten als backbone voor de 4 bases kunnen dienen
2. moeten dubbele helix kunnen vormen met bases in het midden
3. moeten zichzelf kunnen repliceren
4. moeten makkelijker dan RNA pre-biotisch gesynthetiseerd kunnen worden
5. moeten kunnen paren met RNA om als overgangsfase te kunnen dienen naar een DNA wereld (compatibiliteits eis)

Voorbeeld TNA
TNA voldoet aan eis 1, 3, 4, 5. Eis 2 waarschijnlijk ook, maar weet ik niet zeker. Eis 5:  TNA kan met RNA paren, een TNA-RNA dubble helix vormen. Hieronder Threose en Ribose vergeleken:

De pre-biotische synthese van TNA
is makkelijker dan die van RNA. [1]

Omdat TNA (met threose in plaats van ribose) makkelijker abiotisch is te synthetiseren is het een kandidaat voor een voorloper van RNA. Eis 5 (compatibilitiets eis) is natuurlijk een beperking die we met terugwerkende kracht moeten opleggen omdat we nu eenmaal weten dat RNA en DNA de winnaars zijn. Maar dat wil niet zeggen dat er toen geen andere alternatieven zijn gevormd.

DNA is niet vanzelfsprekend
Het lijkt erop dat er alternatieven zijn die voldoen aan de 5 bovengenoemde eisen Maar ik moet dat nog beter uitzoeken. Zoveel is duidelijk dat we deze alternatieven voor DNA serieus moeten nemen. Zeker is wel dat we niet meer als vanzelfsprekend of onvermijdelijk mogen aannemen dat alle leven op DNA en RNA gebaseerd moet zijn. Alsof de prebiotische chemie onvermijdelijk DNA of RNA als eindresultaat zou hebben. Op andere planeten kan het eindresultaat anders uitgevallen zijn.

Evolutie handboeken
 

Als je eenmaal dit inzicht hebt, is het best verbazend dat evolutiehandboeken nauwelijks aandacht besteden aan dit fundamentele probleem en soms net doen alsof DNA of RNA het enige molecuul is dat geschikt is als erfelijkheidsdrager. Alsof er geen keuze was. Bij een inclusieve evolutietheorie (dus inclusief ontstaan van het leven) hoort een verklaring waarom RNA en DNA het hebben gewonnen. De evolutietheorie mag niet beperkt zijn tot een verklaring van de genetische code (lastig genoeg!) of base volgorde (A,T,C,G) of aminozuurvolgorde in eiwitten. Op zijn minst zou ik een evaluatie willen zien van de voor- en nadelen van DNA en haar alternatieven. Het evolutiehandboek dat nog het beste uit de bus komt is Freeman, Herron (2007) Evolutionary Analysis dat op p. 657 kort een aantal alternatieven noemt als voorlopers van de RNA-world. Strickberger's Evolution Fourth edition (2008) noemt kort de mogelijkheid van ribose-like analogues (ribose vervangers) op p. 130 -131. Toegegeven: je leest er makkelijk overheen. Zeker als je niet de vraagstelling en inzichten hebt, die ik nu heb. In Barton et al (2007) kon ik niets vinden. Excuus voor biologen: je hebt hier diepgaande biochemische kennis voor nodig om hier iets zinnigs over te zeggen...

DNA is niet perfect
Wat me verbaasde bij dit onderzoek is dat sommige alternatieven een sterkere base paring (base pairing) hadden dan DNA! Dus DNA is niet perfect! In dat opzicht tenminste. Is DNA een compromis? Dit alles maakt het hele verhaal bijzonder spannend.

RNA toch spontaan?
Later vond ik nog een publicatie [8,9,10] waarin aangetoond werd dat ondanks alle mislukte pogingen om RNA abiotisch te synthetiseren, het toch mogelijk bleek. Op een zeer onorthodoxe manier, waar nog niemand de afgelopen tientallen jaren aan gedacht had. Dit is wat je noemt thinking outside the box. Zijn de alternatieven overbodig? Maybe, maybe not. Als de alternatieven makkelijk(er) gevormd worden op de primitieve aarde, dan is en blijft er een keuze probleem. De vraag blijft: Wat is de meest waarschijnlijke route temidden van alle chaos naar RNA en DNA?

Wat was de chemicalieën inventaris?
Als je de literatuur leest valt op dat men het niet echt eens is over welke chemische vrbindingen er aanwezig waren op de vroege aarde. Het lijkt alsof men top-down terugredeneert vanaf DNA en RNA en dan beredeneert 'wat er nodig is'. Begrijpelijk, maar niet helemaal correct. Als je het DNA keuze probleem echt wilt begrijpen moet je de chemische verbindingen bottom-up voorspellen die gevormd konden worden uitgaande van eerste beginselen. En het is ook wel handig om te weten of het leven op de bodem van de oceaan, langs de randen van een vulkaan, in een getijden-zone of in een 'warme vijver' is ontstaan.

Conclusie
Dat er maar één erfelijkheids molecuul (DNA) kan zijn is onbewezen en zeer twijfelachtig. Ook is onbewezen dat DNA niet te verbeteren is. Echter, de alternatieven zijn niet even grondig getest als DNA. Dat er goede alternatieven kunnen zijn, zeker niet alleen in de prebiotische fase, maar óók om het leven op een planeet op te baseren, opent een heel nieuw gezichtspunt in de evolutietheorie. Op de implicaties daarvan zal ik zeker nog eens terugkomen. 

Bronnen

1. Leslie Orgel (2000) A Simpler Nucleic Acid, Science 17 November 2000: Vol. 290 no. 5495 pp. 1306-1307 (belangrijk artikel van de beroemde biochemicus en Origin of Life onderzoeker)
2. M. Beier et al (1999) Chemical Etiology of Nucleic Acid Structure: Comparing Pentopyranosyl-(2'→4') Oligonucleotides with RNA) Science 29 January 1999: Vol. 283 no. 5402 pp. 699-703
3. Bacterie ontdekt die arsenicum in plaats van fosfor gebruikt mijn blog 2 dec 2010 (de titel had moeten zijn: ...arsenicum in DNA...!)
4. Triple Helix: Designing a New Molecule of Life, Scientific American, December 2008 (gaat over Peptide nucleic acids) (gratis)
5. PNA Peptide Nucleic Acid 
6. Aaron E. Engelhart and Nicholas V. Hud (2010) Primitive Genetic Polymers (lang artikel, maar gratis. Betoogt dat DNA ge-optimaliseerd is voor haar taak door een evolutionair proces)
7. Biochemistry Revisited Blogspot Why is DNA (and not RNA) a stable storage form for genetic information? January 26, 2008 (is een net iets andere probleemstelling) 
8. Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions, Nature 459, 239-242 (14 May 2009)
9. Met begeleidend commentaar: Jack W. Szostak (2009) Origins of life: Systems chemistry on early Earth, Nature 459, 171-172 (14 May 2009) (News and Views): "Of course, much remains to be done. ... it will stand for years as one of the great advances in prebiotic chemistry." 
10. Chemist Shows How RNA Can Be the Starting Point for Life (NewYorkTimes, 13 mei 2009) leesbaar artikel, voorbeeld van outside the box thinking, gaat over #8 en #9.

Met dank aan Martin en Nand.
Update (GNA, HNA): 15 feb 2012

Waarom DNA?

Waarom DNA? Een kort blogje naar aanleiding van een opmerking van een vaste blogbezoeker.

Waarom DNA? Wat is dat nu voor een stomme vraag! Zonder DNA geen erfelijkheid! Zonder DNA geen leven! Zonder DNA geen evolutie! Daarom DNA! Maar wat ik met de vraag bedoel is: is DNA het enige molecuul dat de functie van erfelijkheidsmolecuul kan vervullen? Nee! Tenminste, er zijn kandidaten zoals TNA die het ook zouden kunnen. Het gedraagt zich in vele opzichten als DNA, maar komt niet in de natuur voor. Men treft het uitsluitend in laboratoria aan. Zondermeer interessant.

Nu de aansluiting met Stuart Kauffman (zie vorige blog). Zoals we gezien hebben probeerde Kauffman de oorsprong van het leven te verklaren zonder DNA. Zijn motivatie was als volgt. Het kan wel zijn dat DNA een zeer succesvol molecuul is (het heeft een duurzaamheidstest van 3,5 miljard jaar doorstaan!), maar als DNA ook een uniek molecuul is, dan is de kans erg klein dat de natuur het door trial en error zou vinden. Immers, als er veel mogelijkheden zijn vind je een oplossing sneller. Als er maar één oplossing is, duurt het misschien wel oneindig lang. Bovendien vormt DNA zich niet spontaan uit haar losse componenten, ondanks dat die componenten zelf wel spontaan kunnen ontstaan. Daarom probeerde Kauffman het met een netwerk van simpele stofjes (peptiden bijvoorbeeld) dat makkelijk spontaan kon ontstaan en zichzelf in stand hield. Je zou dan een primitief metabolisme hebben. Een levend 'iets'. Het voordeel zou kunnen zijn dat zo'n systeem een grotere diversiteit aan chemicaliën zou produceren. En de onuitgesproken veronderstelling was dat er dan uiteindelijk RNA of DNA gesynthetiseerd zou worden. Of dat scenario levensvatbaar is weten we nog niet.

Het nut van TNA is dat het überhaupt een alternatief voor DNA zou kunnen zijn. D.w.z. alle functies van DNA vervult, maar makkelijker abiotisch gevormd wordt. Zo'n simpeler alternatief voor DNA zou dus een belangrijke rol bij het ontstaan van het leven vervult kunnen hebben. Het zou dus een voorloper van DNA of RNA kunnen zijn. Maar waarom is de natuur dan niet bij TNA gebleven als het simpeler is dan DNA? Misschien is het niet zo 'perfect' als DNA. Misschien is het vervangen door het betere DNA in de loop van de zeer vroege evolutie. Dat we ooit fossiel TNA vinden lijkt mij uitgesloten. Maar, zoals het persbericht van de Arizona State University laat zien, kunnen wetenschappers de eigenschappen van TNA in het lab onderzoeken. En het is al gebleken dat TNA en DNA kunnen samenwerken.

Een andere interessante vraag blijft open: zijn er betere erfelijkheidsmoleculen dan DNA? Goede vraag, maar dit zou een klein tussendoor blogje zijn...

 

Bronnen

• Richard Harth (2012) Simpler times: Did an earlier genetic molecule predate DNA and RNA?  (met dank aan Harry. Toch kostte het enige moeite de oorspronkelijke bron van het nieuwsbericht te vinden) 
• Mijn review van Michael Denton's (1998) Nature's Destiny. - Is DNA uniquely fit for its task? (TNA is al 10 jaar bekend, maar de eigenschappen worden nog steeds onderzocht).
• Mijn blog Stuart Kauffman's comeback.

Stuart Kauffman's comeback

At Home in the Universe.
The Search for Laws of
Self-Organization and Complexity.

Toen ik in 1998 het boek At Home in the Universe. The Search for Laws of Self-Organization and Complexity van Stuart Kauffman las, was ik diep onder de indruk (zie mijn review). Hij kwam op mij over als een genie die zowel een volstrekt originele theorie over het ontstaan van het leven had als ook nog zinnige kritiek had op het Darwinisme. 

Hij had een theoretisch model ontwikkeld dat gebaseerd was op een systeem van zichzelf catalyserende chemische reacties. En die had hij uitgebreid onderzocht met computer simulaties. Hij had daarbij wiskundige wetmatigheden ontdekt in netwerken van elkaar beïnvloedende chemische reacties. Hij ging uit van de –niet onredelijke– veronderstelling dat chemische stoffen door toeval de synthese van elkaar kunnen stimuleren. Hij gebruikte daarbij niet de bekende stoffen zoals stikstof, methaan, water, kooldioxide, etc maar abstracte verbindingen A, B, C, D.  De reden was dat hij een zo universeel mogelijke theorie wilde ontwerpen, die niet afhankelijk was van de toevallige chemicalieën waar het leven op aarde mee werkte. En die misschien wel niet essentieel waren voor het leven. Bottom-up werken. Niet toewerken naar organismen zoals we die nu kennen. Als je Kauffman wilt plaatsen dan zou je hem kunnen vergelijken met een mathematisch bioloog als Martin Nowak ('Evolutionary Dynamics: Exploring the Equations of Life'; en 'Super Cooperators. Evolution, Altruisme and Human Behaviour').

Kauffman ontdekte dat wanneer je een grote diversiteit van willekeurige eenvoudige chemische basisstoffen als uitgangspunt neemt, je dan kunt berekenen dat de kans zeer groot is dat er een netwerk ontstaat waarbij het ontstaan van iedere aanwezige chemische stof bevordert wordt door een andere stof in het netwerk. Met andere woorden: een netwerk dat zichzelf in stand houdt. Een netwerk dat niet uitdooft. Kauffman kon met wiskundige zekerheid aantonen dat er onder specifieke omstandigheden een stabiel netwerk ontstaat. Het waren vooral de 'uit het niets' opduikende reproduceerbare wetmatigheden en de wiskundige zekerheid die diepe indruk op me maakten. Order for free was de slogan die de lading zondermeer dekte. Kauffman had iets te pakken. Dat voelde je gewoon. Hij had een nieuwe wetmatigheid ontdekt. Het was maar een kleine gedachtenstap om die stabiele chemische netwerken te interpreteren als de eerste levensvormen. Er was geen wonder nodig, alléén berekenbare statistische wetmatigheden. Het klinkt te goed om waar te zijn, maar het is nog niet alles.

Kauffman had een wiskundige model voor het ontstaan van het leven ontwikkeld dat niet afhankelijk was van allerlei zeer specifieke chemische stoffen die we nu in levende wezens aantreffen zoals DNA, RNA, of ATP. Dat was een interessant resultaat omdat niemand wist hoe DNA of RNA uit eenvoudige bouwstenen gesynthetiseerd konden worden zonder hulp van enzymen (enzymen komen alleen voor in levende organismes). Je kunt dus niet beginnen met DNA en enzymen. Er moet iets vooraf gegaan zijn aan DNA, maar wat? Bovendien was de hele biologische gemeenschap in 1953 na de ontdekking van DNA door Watson en Crick er van overtuigd dat DNA de secret of life was. En dus: dat DNA gewoon aan de basis van het leven moest staan. Alleen niemand wist hoe. Kauffman was eigenwijs en deed het zonder DNA! Nog 'erger': zonder ook maar één chemische stof te noemen! Bottom-up. In theorie. Op de computer. De enige grote open vraag was of het in de praktijk zou werken. Omdat er in zijn boek vrijwel geen concrete chemische voorbeelden stonden en ik die graag in mijn review wilde opnemen, vroeg ik hem daarom per email. Hij gaf een paar veelbelovende chemische experimentele resultaten van andere onderzoekers. Die nam ik gretig op in mijn review. Toen bleef het 16 jaar stil rondom Kauffman en zijn theorie.

Tot er in december 2011 een groot artikel Approaches to the Origin of Life on Earth van zijn hand verscheen in het eerste nummer van het nieuwe open access wetenschappelijke tijdschrift met de verpletterende eenvoudige naam Life. Ik kan iedereen die zich wel eens heeft afgevraagd hoe het leven ontstaan is, dit artikel aanbevelen. Zeker als je wel eens van Kauffman hebt gehoord. Ik vond het artikel een belevenis. Kauffman geeft daarin in vogelvlucht een leesbaar overzicht van de verschillende manieren waarop Origin of Life onderzoekers het probleem aangepakt hebben plus een analyse  van de goede en minder goede kanten van zijn eigen model. Tot mijn grote genoegen vond ik dat Kauffman een bezwaar noemde die ik in mijn review ook noemde, nl. de kans dat reacties elkaar zouden remmen in plaats van bevorderen. Dat zou roet in het eten gooien. Het netwerk zou uitdoven en er zou geen leven ontstaan. Het artikel is nuttig omdat het de wetenschappelijke ontwikkelingen sinds At Home in The Universe kort samenvat. Het is een soort Nawoord na 16 jaar. Ook valt op dat hij oplossingen van anderen (membranen) integreert in zijn model die eigenlijk geheel los staan van zijn eigen model. Dat is een soort impliciete erkenning dat je niet alle eigenschappen van het leven kunt afleiden uit zijn oorspronkelijk theoretisch model.

Reinventing the Sacred

Investigations

Ik vertelde hierboven dat het stil werd na het verschijnen van At Home. Dat is niet helemaal waar. Hij heeft in de tussentijd twee boeken gepubliceerd (zie hiernaast). Eén van die twee boeken, Reinventing the Sacred: A New View of Science, Reason, and Religion is waarschijnlijk interessant voor gelovigen, zoals al uit de titel is op te maken. Ik zag die twee boeken als voortborduren op zijn eerste en laat ze hier verder buiten beschouwing. Ik zat te wachten op empirische ondersteuning van zijn theorie. Als die er waren hadden ze zeker in de bekende wetenschappelijke tijdschriften verschenen moeten zijn. Zoals blijkt uit zijn overzichts artikel in Life zijn er wel nieuwe experimentele resultaten gepubliceerd en er zijn nog meer te verwachten in een paper die hij (samen met anderen) aangeboden heeft aan PLOS One [1]. Het had al verschenen moeten zijn (2011!). Ik verwacht daar veel van, maar natuurlijk niet dat het probleem van het ontstaan van het leven opgelost wordt. Dat zou naief zijn. Wel dat er belangrijke en interessante resultaten in te vinden zijn die openstaande deelvragen oplossen. Zodat we beter inzicht krijgen in de vraag of de autocatalytic sets van Kauffman levensvatbaar zijn!

Noten

1. Fernando, C.; Vasa, V.; Santos, M.; Kauffman, S.; Szathmary, E. 'Spontaneous formation and evolution of autocatalytic sets within compartements'. PLoS one 2011, submitted.

 

Postscript 9 Feb 2012:

Het bovengenoemde artikel is verschenen op 5 January 2012 in Biology Direct onder de titel Evolution before genes en is een Open Access artikel.