de genetiska polymererna RNA och DNA är centrala för informationslagring i alla biologiska system och utgör som sådan kärnan i de flesta hypoteser om livets ursprung. Den mest framträdande av dessa teorier är RNA-världshypotesen, som innebär att RNA en gång var både den centrala informationsbäraren och katalysatorn för biokemiska reaktioner på jorden före livets uppkomst1. Studier under de senaste åren (se ref. 2, till exempel) har föreslagit att de första genetiska systemen kan ha baserats på nukleinsyramolekyler som innehåller både RNA och DNA-nukleotider, som sedan gradvis separerades i dagens RNA och DNA. Skriva i naturen, Xu et al.3 erbjuder fascinerande experimentellt stöd för en blandad RNA–DNA-Värld.
primordiala geokemiska processer tros ha lett till bildandet av byggstenarna av nukleinsyror — nukleotider och nukleosider (nukleotider som saknar en fosfatgrupp). Under lämpliga förhållanden polymeriserades dessa byggstenar och de resulterande strängarna replikerades så småningom, utan hjälp av moderna proteinenzymer.
arbetare från samma forskargrupp som Xu et al. hade tidigare identifierat4 ett nätverk av reaktioner som främjades av ultraviolett ljus som resulterade i syntesen av två av standardnukleosiderna som finns i RNA: uridin (U) och cytidin (C), som kollektivt kallas pyrimidiner (Fig. 1). Dessa reaktioner startade från vätecyanid (HCN) och derivat därav, enkla molekyler som tros ha varit lättillgängliga på tidig jord. Ytterligare studier och utveckling av detta reaktionsnätverk väckte den spännande möjligheten att protein — och lipidprekursorer kunde ha uppstått samtidigt tillsammans med nukleosider5-vilket ger tre av de huvudtyper av molekyler som behövs för att göra celler. En komplementär väg för bildandet av de andra två standard RNA-nukleosiderna (adenosin och guanosin, känd som purinerna) med samma HCN-baserade kemi har emellertid förblivit svårfångad.
Figur 1 | ett reaktionsnätverk som producerar både DNA-och RNA-underenheter. Det var känt att ett nätverk av kemiska reaktioner producerar RNA-subenheterna cytidin (C) och uridin (U), under förhållanden som kunde ha inträffat på prebiotisk Jord4. Nätverket startar från vätecyanid (HCN) och fortsätter genom en intermediär som kallas ribo-aminooxazolin (RAO). Xu et al.3 rapportera nu att föreningar som kallas Kubi-anhydropyrimidiner som produceras i vägen till C och U också kan omvandlas parallellt till DNA-underenheterna deoxyinosin (dI) och deoxyadenosin (dA). Dessa underenheter kan bilda baspar med C och U. De fyra underenheterna — C, U, dI och dA — utgör därför ett komplett genetiskt alfabet som kan ha använts för att koda biologisk information på tidig jord.
i föreliggande arbete, Xu et al. reviderade föreningar producerade som mellanprodukter i det tidigare etablerade reaktionsnätverket4 som syntetiserar U och C. De identifierade en väg i vilken en viktig intermediär av pyrimidin-nukleosidsyntes, ribo-aminooxazolin (Rao; Fig. 1), kan också omvandlas till två purin-DNA-nukleosider, deoxyadenosin (dA) och deoxyinosin (dI, som inte är en av de vanliga nukleosiderna som finns i modernt DNA). Avgörande kan dessa DNA-nukleosider bilda baspar med U och C. De fyra nukleosiderna-U, C, dA och dI — utgör därför ett komplett ’alfabet’ som kunde ha kodat genetisk information i nukleinsyror i en prebiotisk RNA–DNA-Värld.det är viktigt att syntesen av dA och dI kan ske parallellt med U och C, vilket ger blandningar av de fyra produkterna i utbyten och förhållanden som är lämpliga för konstruktion av ett genetiskt system. Denna ömsesidiga kompatibilitet mellan de två syntetiska vägarna ökar sannolikheten för reaktionsnätet som ett prebiotiskt system — om de två synteserna var oförenliga, skulle geologiska scenarier behöva konstrueras för att förklara hur de kunde ha separerats i olika pooler för att möjliggöra Kemi att inträffa och sedan kombineras för att möjliggöra bildandet av hybrid RNA–DNA-molekyler. Under vissa reaktionsförhållanden kan U och C överleva endast i närvaro av tioanhydropurinföreningarna som fungerar som direkta föregångare till dA och dI.
många organiska molekyler kan produceras som vänster-och högerhänta versioner, kända som enantiomerer, som är spegelbilder av varandra. Men moderna nukleotider och deras byggstenar har alla samma enantiomeriska form. En av de största svårigheterna i origins-of-life-forskning är att förklara hur enskilda enantiomerer kunde ha genererats från enkla prekursormolekyler som inte har någon handedness och som kunde ha bildats på prebiotisk jord. Xu och kollegors purinsyntes är attraktiv i detta avseende, eftersom den är mycket selektiv för enantiomererna och andra isomerer av nukleosider observerade i modern biologi.
alternativa vägar har rapporterats för den kombinerade prebiotiska syntesen av pyrimidin-och purinnukleosider och nukleotider 6,7. Dessa vägar kräver att kemiskt och enantiomeriskt rena sockerarter används som utgångsmaterial, vilket utgör problemet att andra, ofta okända, prebiotiska processer skulle ha varit nödvändiga för att tillhandahålla dessa utgångsmaterial8. Däremot rapporterade enantioselektiviteten av Xu et al. härrör från RAO, som kan kristallisera som en enda enantiomer från reaktioner där utgångsmaterialen är nästan racemic9 (det vill säga utgångsmaterialen består av en nästan lika blandning av enantiomerer).
Nukleosidsyntes kan också leda till produkter där nukleosidens bas är fäst vid sockret i fel orientering. I Xu och medarbetarnas syntetiska väg sker en UV-inducerad kemisk reduktion som leder till den påfallande selektiva förstörelsen av dessa oönskade biprodukter, vilket i slutändan endast producerar de biologiskt relevanta isomererna av purinerna. Med tanke på att tidig jord bestrålades mycket av UV, föreslår den anmärkningsvärda selektiviteten hos denna reaktion en möjlig mekanism genom vilken den totala poolen av potentiella nukleinsyraisomerer reducerades till den delmängd av isomerer som observerades idag i naturen.
Xu och kollegors arbete stöder en vision om tidig molekylär utveckling som är något borttagen från den konventionella ’rena’ RNA-världshypotesen och erbjuder kanske en mer trovärdig väg till livets ursprung från blandade och komplexa kemiska miljöer. Med tanke på bristen på kemiska fossiler och osäkerheten om de exakta förhållandena och kemin som inträffade på den tidiga jorden är det omöjligt att säga vilka kemiska vägar som faktiskt ägde rum. Istället måste vi se till att föreslagna system överensstämmer så nära som möjligt med vår förståelse av vad som realistiskt kunde ha hänt på prebiotisk jord — inte bara kemin utan också reaktionsnätens övergripande komplexitet och deras kompatibilitet med andra processer.
i det aktuella arbetet visar författarna att de fyra nukleosiderna verkligen kan produceras genom processer som rimligen kan förväntas ha inträffat på tidig jord (såsom hydrolys, torkning och UV-bestrålning) och ger troliga syntetiska vägar som kan förse reaktionerna med deras nödvändiga utgångsmaterial. Men som för alla prebiotiska synteser är det fortfarande svårt att föreställa sig den faktiska mikromiljön som kunde ha stött de många specifika kemiska omvandlingar som krävs för att producera livets byggstenar i kvantitet.
Ändå visar Xu och kollegors arbete imponerande hur ett komplett genetiskt Alfabet kan ha uppstått. Oavsett om vi tror att livet utvecklats från RNA ensam eller från mer komplexa blandningar av nukleinsyror, kommer systemnivåtänkande att hitta ömsesidigt kompatibla prebiotiska kemiska vägar att vara avgörande för att utveckla verkligt troliga modeller av de första stadierna av livets uppkomst.