Die genetischen Polymere RNA und DNA sind von zentraler Bedeutung für die Informationsspeicherung in allen biologischen Systemen und bilden als solche den Kern der meisten Hypothesen über den Ursprung des Lebens. Die prominenteste dieser Theorien ist die Hypothese der RNA-Welt, die besagt, dass RNA vor der Entstehung des Lebens sowohl der zentrale Informationsträger als auch der Katalysator für biochemische Reaktionen auf der Erde war1. Studien der letzten Jahre (siehe Ref. 2 zum Beispiel) haben vorgeschlagen, dass die ersten genetischen Systeme auf Nukleinsäuremolekülen basieren könnten, die sowohl RNA- als auch DNA-Nukleotide enthalten, die sich dann allmählich in die heutige RNA und DNA trennten. Schreiben in der Natur, Xu et al.3 bieten faszinierende experimentelle Unterstützung für eine gemischte RNA–DNA-Welt.Es wird angenommen, dass ursprüngliche geochemische Prozesse zur Bildung der Bausteine von Nukleinsäuren geführt haben — Nukleotide und Nukleoside (Nukleotide, denen eine Phosphatgruppe fehlt). Unter geeigneten Bedingungen polymerisierten diese Bausteine und die resultierenden Stränge replizierten sich schließlich ohne Unterstützung moderner Proteinenzyme.

Arbeiter aus derselben Forschungsgruppe wie Xu et al. hatte zuvor identifiziert4 ein Netzwerk von Reaktionen, die durch ultraviolettes Licht gefördert wurden und zur Synthese von zwei der in RNA vorkommenden Standardnukleoside führten: Uridin (U) und Cytidin (C), die zusammen als Pyrimidine bekannt sind (Abb. 1). Diese Reaktionen gingen von Cyanwasserstoff (HCN) und Derivaten davon aus, einfachen Molekülen, von denen angenommen wird, dass sie auf der frühen Erde leicht verfügbar waren. Weitere Studien und die Entwicklung dieses Reaktionsnetzwerks ergaben die faszinierende Möglichkeit, dass Protein— und Lipidvorläufer gleichzeitig neben Nukleosiden entstanden sein könnten5 – wodurch drei der Hauptmolekültypen bereitgestellt werden, die zur Herstellung von Zellen benötigt werden. Ein komplementärer Weg für die Bildung der beiden anderen Standard-RNA-Nukleoside (Adenosin und Guanosin, bekannt als Purine) unter Verwendung derselben HCN-basierten Chemie ist jedoch schwer zu finden.

In der vorliegenden Arbeit haben Xu et al. revisited Verbindungen als Zwischenprodukte in der zuvor etablierten Reaktionsnetzwerk4 hergestellt, die U und C synthetisiert Sie identifizierten einen Weg, in dem ein Schlüssel Zwischenprodukt der Pyrimidin-Nukleosid-Synthese, Ribo-Aminooxazolin (RAO; Abb. 1), kann auch in zwei Purin-DNA-Nukleoside umgewandelt werden, Desoxyadenosin (dA) und Desoxyinosin (dI, das nicht zu den Standardnukleosiden in der modernen DNA gehört). Entscheidend ist, dass diese DNA-Nukleoside Basenpaare mit U und C bilden können. Die vier Nukleoside – U, C, dA und dI — bilden daher ein vollständiges ‚Alphabet‘, das genetische Informationen in Nukleinsäuren in einer präbiotischen RNA–DNA-Welt kodiert haben könnte.Wichtig ist, dass die Synthese von dA und dI parallel zu der von U und C erfolgen kann, wodurch Mischungen der vier Produkte in Ausbeuten und Verhältnissen hergestellt werden, die für den Aufbau eines genetischen Systems geeignet sind. Diese gegenseitige Kompatibilität der beiden Synthesewege erhöht die Plausibilität des Reaktionsnetzwerks als präbiotisches System — wenn die beiden Synthesen inkompatibel wären, müssten geologische Szenarien erfunden werden, um zu erklären, wie sie in verschiedene Pools hätten getrennt werden können, um die Chemie zu ermöglichen, und dann kombiniert, um die Bildung hybrider RNA–DNA-Moleküle zu ermöglichen. Bemerkenswerterweise können U und C unter bestimmten Reaktionsbedingungen nur in Gegenwart der Thioanhydropurinverbindungen überleben, die als direkte Vorläufer von dA und dI wirken.Viele organische Moleküle können als links- und rechtshändige Versionen, sogenannte Enantiomere, hergestellt werden, die Spiegelbilder voneinander sind. Moderne Nukleotide und ihre Bausteine nehmen jedoch alle die gleiche enantiomere Form an. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens besteht darin, zu erklären, wie einzelne Enantiomere aus einfachen Vorläufermolekülen erzeugt werden könnten, die keine Händigkeit haben und sich auf präbiotischer Erde gebildet haben könnten. Die Purinsynthese von Xu und Kollegen ist in dieser Hinsicht attraktiv, da sie für die in der modernen Biologie beobachteten Enantiomere und anderen Isomere von Nukleosiden hochselektiv ist.

Es wurden alternative Wege für die kombinierte präbiotische Synthese von Pyrimidin- und Purinnukleosiden und Nukleotiden6,7 berichtet. Diese Wege erfordern die Verwendung von chemisch und enantiomerenreinen Zuckern als Ausgangsmaterialien, was das Problem aufwirft, dass andere, oft unbekannte, präbiotische Prozesse notwendig gewesen wären, um diese Ausgangsmaterialien zur Verfügung zu stellen8. Im Gegensatz dazu ist die von Xu et al. leitet sich von RAO ab, das als einzelnes Enantiomer aus Reaktionen kristallisieren kann, bei denen die Ausgangsmaterialien nahezu racemisch sind9 (dh die Ausgangsmaterialien bestehen aus einer nahezu gleichen Mischung von Enantiomeren).

Die Nukleosidsynthese kann auch zu Produkten führen, bei denen die Base des Nukleosids in falscher Orientierung an den Zucker gebunden ist. Im Syntheseweg von Xu und Mitarbeitern tritt eine UV-induzierte chemische Reduktion auf, die zur auffallend selektiven Zerstörung dieser unerwünschten Nebenprodukte führt und letztendlich nur die biologisch relevanten Isomere der Purine produziert. Angesichts der Tatsache, dass die frühe Erde stark mit UV bestrahlt wurde, Die bemerkenswerte Selektivität dieser Reaktion deutet auf einen möglichen Mechanismus hin, durch den der Gesamtpool potenzieller Nukleinsäure-Isomere auf die heute in der Natur beobachtete Teilmenge von Isomeren reduziert wurde.Die Arbeit von Xu und Kollegen unterstützt eine Vision der frühen molekularen Evolution, die etwas von der konventionellen ‚reinen‘ RNA-Welt-Hypothese entfernt ist, und bietet vielleicht einen plausibleren Weg zum Ursprung des Lebens aus gemischten und komplexen chemischen Umgebungen. Angesichts des Mangels an ‚chemischen Fossilien‘, und die Unsicherheit über die genauen Bedingungen und Chemie, die auf der frühen Erde aufgetreten, es ist unmöglich zu sagen, welche chemischen Wege tatsächlich stattgefunden hat. Stattdessen müssen wir sicherstellen, dass die vorgeschlagenen Systeme so weit wie möglich unserem Verständnis dessen entsprechen, was auf der präbiotischen Erde realistisch hätte passieren können — nicht nur die Chemie, sondern auch die Gesamtkomplexität der Reaktionsnetzwerke und ihre Kompatibilität mit anderen Prozessen.In der aktuellen Arbeit zeigen die Autoren, dass die vier Nukleoside tatsächlich durch Prozesse hergestellt werden können, die vernünftigerweise auf der frühen Erde erwartet werden konnten (wie Hydrolyse, Trocknung und UV-Bestrahlung), und liefern plausible synthetische Wege, die die Reaktionen mit ihren erforderlichen Ausgangsmaterialien versorgen könnten. Wie bei allen präbiotischen Synthesen bleibt es jedoch schwierig, sich die tatsächliche Mikroumgebung vorzustellen, die die vielen spezifischen chemischen Umwandlungen unterstützt haben könnte, die erforderlich sind, um die Bausteine des Lebens in Quantität herzustellen.

Dennoch zeigt die Arbeit von Xu und Kollegen eindrucksvoll, wie ein vollständiges genetisches Alphabet entstanden sein könnte. Unabhängig davon, ob wir glauben, dass sich Leben aus RNA allein oder aus komplexeren Mischungen von Nukleinsäuren entwickelt hat, wird das Denken auf Systemebene, um gegenseitig kompatible präbiotische chemische Wege zu finden, entscheidend sein, um wirklich plausible Modelle der ersten Stadien der Entstehung von Leben zu entwickeln.