geneettiset polymeerit RNA ja DNA ovat keskeisessä asemassa tiedon tallentamisessa kaikissa biologisissa järjestelmissä ja muodostavat siten useimpien elämän alkuperää koskevien hypoteesien ytimen. Huomattavin näistä teorioista on ”RNA-maailma” – hypoteesi, jonka mukaan RNA oli aikoinaan sekä keskeinen informaationkantaja että biokemiallisten reaktioiden katalysaattori maapallolla ennen life1: n syntyä. Kuitenkin tutkimukset viime vuosina(KS. 2, Esimerkiksi) ovat esittäneet, että ensimmäiset geneettiset järjestelmät ovat saattaneet perustua nukleiinihappomolekyyleihin, jotka sisältävät sekä RNA: ta että DNA: n nukleotideja, jotka sitten vähitellen itsenäistyivät nykyisiksi RNA: ksi ja DNA: ksi. Kirjoittaminen Nature, Xu et al.3 tarjoavat kiehtovaa kokeellista tukea sekalaiselle RNA-DNA-maailmalle.

Alkukemiallisten geokemiallisten prosessien arvellaan johtaneen nukleiinihappojen rakenneosien eli nukleotidien ja nukleosidien (nukleotidien, joista puuttuu fosfaattiryhmä) muodostumiseen. Sopivissa olosuhteissa nämä rakennuspalikat polymeroituivat ja tuloksena olevat säikeet lopulta monistuivat ilman nykyaikaisten proteiinientsyymien apua.

työntekijät samasta tutkimusryhmästä kuin Xu et al. oli aiemmin identified4 verkosto reaktioita edistää ultraviolettivalon, joka johti synteesin kaksi standardin nukleosidien löytyy RNA: uridiini (U) ja sytidiini (C), jotka ovat yhdessä tunnetaan pyrimidiinit (Fig. 1). Nämä reaktiot alkoivat VETYSYANIDISTA (HCN) ja sen johdannaisista, yksinkertaisista molekyyleistä, joiden arvellaan olleen helposti saatavilla varhaisella maapallolla. Tämän reaktioverkoston myöhemmät tutkimukset ja kehittäminen nostivat esiin sen kiehtovan mahdollisuuden, että proteiinin ja lipidien esiasteita olisi voinut syntyä samanaikaisesti nukleosidi5: n kanssa, jolloin soluissa olisi ollut kolme pääasiallista molekyylityyppiä. Kahden muun tavallisen RNA-nukleosidin (adenosiini ja guanosiini, joita kutsutaan puriineiksi) muodostumisreitti samaa HCN-pohjaista kemiaa käyttäen on kuitenkin jäänyt hämäräksi.

nykyisessä teoksessa Xu et al. uusitut yhdisteet, jotka on tuotettu välituotteina aiemmin vakiintuneessa reaktioverkostossa4, joka syntetisoi U: ta ja C: tä.ne tunnistivat reitin, jossa pyrimidiini-nukleosidisynteesin keskeinen Välituote, ribo-aminooksatsoliini (RAO; Fig. 1), voidaan myös muuntaa kahdeksi puriini-DNA-nukleosidiksi, deoksiadenosiiniksi (dA) ja deoksinosiiniksi (dI, joka ei ole yksi modernin DNA: n standardinukleosideista). Ratkaisevaa on, että nämä DNA-nukleosidit voivat muodostaa Emäspareja U: n ja C: n kanssa. Neljä nukleosidia-U, C, dA ja dI — muodostavat siis täydellisen ”aakkoston”, joka on voinut koodata geneettistä informaatiota nukleiinihapoissa prebioottisessa RNA–DNA-maailmassa.

tärkeää on, että dA: n ja dI: n synteesi voi tapahtua rinnakkain U: n ja C: n synteesin kanssa, jolloin saadaan näiden neljän tuotteen seoksia geneettisen järjestelmän rakentamiseen soveltuvina satoina ja suhdeluvuina. Tämä kahden synteettisen väylän keskinäinen yhteensopivuus lisää reaktioverkon uskottavuutta prebioottisena järjestelmänä-jos nämä kaksi syntetisaattoria olivat yhteensopimattomia, olisi keksittävä geologisia skenaarioita selittämään, miten ne olisi voitu erottaa eri pooleihin kemian syntymisen mahdollistamiseksi ja sitten yhdistää hybridisten RNA–DNA-molekyylien muodostumisen mahdollistamiseksi. Erityisesti tietyissä reaktio-olosuhteissa U ja C voivat selvitä vain tioanhydropuriiniyhdisteiden läsnä ollessa, jotka toimivat dA: n ja dI: n suorina lähtöaineina.

monista orgaanisista molekyyleistä voidaan valmistaa vasen – ja oikeakätisiä versioita eli enantiomeerejä, jotka ovat toistensa peilikuvia. Nykyaikaiset nukleotidit ja niiden rakenneosat ovat kuitenkin kaikki samassa enantiomeerisessa muodossa. Origins-of-life-tutkimuksen suurimpia vaikeuksia on selittää, miten yksinkertaisia enantiomeerejä on voinut syntyä yksinkertaisista prekursorimolekyyleistä, joilla ei ole kädellisyyttä ja jotka ovat voineet muodostua prebioottisessa maassa. Xu: n ja kollegoiden puriinisynteesi on tässä suhteessa houkutteleva, koska se on hyvin selektiivinen nykybiologiassa havaituille nukleosidien enantiomeereille ja muille isomeereille.

vaihtoehtoisia reittejä on raportoitu pyrimidiinin ja puriininukleosidien ja nukleotidien yhdistetyssä prebioottisessa synteesissä6,7. Nämä reitit edellyttävät kemiallisesti ja enantiomeerisesti puhtaiden sokerien käyttämistä lähtöaineina, mikä aiheuttaa sen ongelman, että näiden lähtöaineiden tuottamiseen olisi tarvittu muita, usein tuntemattomia prebioottisia prosesseja8. Sen sijaan Xu et al: n ilmoittama enantioselectivity. juontuu Rao: sta, joka voi kiteytyä yhdeksi enantiomeeriksi reaktioista, joissa lähtöaineet ovat lähes raseemisia 9 (eli lähtöaineet koostuvat lähes yhtä suuresta enantiomeerien seoksesta).

Nukleosidisynteesi voi johtaa myös tuotteisiin, joissa nukleosidin emäs on kiinnittynyt sokeriin väärään suuntaan. Xu: n ja työtovereiden synteettisessä reitissä tapahtuu UV-säteilyn aiheuttama kemiallinen pelkistyminen, joka johtaa näiden ei-toivottujen sivutuotteiden silmiinpistävän valikoivaan tuhoutumiseen, tuottaen lopulta vain puriinien biologisesti relevantteja isomeerejä. Koska varhainen maa säteili voimakkaasti UV-säteilyä, tämän reaktion huomattava selektiivisyys viittaa mahdolliseen mekanismiin, jolla mahdollisten nukleiinihappoisomeerien kokonaispooli pelkistyi luonnossa nykyään havaittuun isomeerien osajoukkoon.

Xu: n ja kollegoiden työ tukee näkemystä varhaisesta molekyylievoluutiosta, joka on hieman irronnut tavanomaisesta ”puhtaasta” RNA-maailma-hypoteesista, ja tarjoaa ehkä uskottavamman reitin elämän syntyyn sekalaisista ja monimutkaisista kemiallisista ympäristöistä. Kun otetaan huomioon ”kemiallisten fossiilien” puute ja epävarmuus maapallon alkuaikojen täsmällisistä olosuhteista ja kemiasta, on mahdotonta sanoa, mitkä kemialliset reitit todellisuudessa tapahtuivat. Sen sijaan meidän on varmistettava, että ehdotetut järjestelmät vastaavat mahdollisimman tarkasti käsitystämme siitä, mitä olisi realistisesti voinut tapahtua prebioottisella maapallolla — ei vain kemiasta, vaan myös reaktioverkostojen yleisestä monimutkaisuudesta ja niiden yhteensopivuudesta muiden prosessien kanssa.

nykyisessä teoksessa kirjoittajat osoittavat, että nämä neljä nukleosidia voidaan todellakin tuottaa prosesseilla, joiden voidaan kohtuudella olettaa tapahtuneen maan varhaisessa vaiheessa (kuten hydrolyysillä, kuivaamisella ja UV-säteilytyksellä), ja tarjoavat uskottavia synteettisiä reittejä, jotka voisivat toimittaa reaktioille niiden vaatimat lähtöaineet. Kaikkien prebioottisten synteesien osalta on kuitenkin vaikea kuvitella todellista mikroympäristöä, joka olisi voinut tukea monia erityisiä kemiallisia muutoksia, joita tarvitaan elämän rakennusosien tuottamiseksi määrällisesti.

kuitenkin Xu: n ja kollegoiden työ osoittaa vaikuttavasti, miten täydellinen geneettinen aakkosto on voinut syntyä. Riippumatta siitä, ajattelemmeko elämän kehittyneen pelkästä RNA: sta vai monimutkaisemmista nukleiinihappojen seoksista, järjestelmätason ajattelu keskenään yhteensopivien prebioottisten kemiallisten reittien löytämiseksi on ratkaisevaa, jotta voidaan kehittää todella uskottavia malleja elämän syntymisen ensimmäisistä vaiheista.