de genetische polymeren RNA en DNA zijn centraal in informatieopslag in alle biologische systemen, en vormen als zodanig de kern van de meeste hypothesen over de oorsprong van het leven. De meest prominente van deze theorieën is de ‘RNA-wereld’ hypothese, die stelt dat RNA ooit zowel de centrale informatiedrager als de katalysator was voor biochemische reacties op aarde vóór de opkomst van het leven1. Echter, studies in de afgelopen jaren (zie ref. 2, bijvoorbeeld) hebben gesuggereerd dat de eerste genetische systemen zouden kunnen zijn gebaseerd op nucleïnezuurmoleculen die zowel RNA als DNA-nucleotiden bevatten, die dan geleidelijk zelf-gescheiden in RNA en DNA van vandaag. Schrijven in de natuur, Xu et al.3 bieden fascinerende experimentele ondersteuning voor een gemengde RNA-DNA wereld.

primordiale geochemische processen hebben vermoedelijk geleid tot de vorming van de bouwstenen van nucleïnezuren — nucleotiden en nucleosiden (nucleotiden zonder fosfaatgroep). Onder geschikte omstandigheden, gepolymeriseerd deze bouwstenen en de resulterende bundels uiteindelijk gerepliceerd, zonder hulp van moderne eiwitenzymen.

werknemers uit dezelfde onderzoeksgroep als Xu et al. eerder had geà dentificeerd 4 een netwerk van reacties bevorderd door ultraviolet licht dat resulteerde in de synthese van twee van de standaard nucleosiden gevonden in RNA: uridine (U) en cytidine (C), die gezamenlijk bekend staan als pyrimidines (Fig. 1). Deze reacties begonnen met waterstofcyanide (HCN) en derivaten daarvan, eenvoudige moleculen waarvan wordt aangenomen dat ze gemakkelijk beschikbaar waren op de vroege aarde. De verdere studies en de ontwikkeling van dit reactienetwerk hieven de intrigerende mogelijkheid op dat de proteã ne en lipidevoorlopers gelijktijdig naast nucleosides5 konden zijn ontstaan — daardoor verstrekkend drie van de belangrijkste types van molecule nodig om cellen te maken. Echter, een complementaire route voor de vorming van de andere twee standaard RNA nucleosiden (adenosine en guanosine, bekend als de purines) met behulp van dezelfde HCN-gebaseerde chemie is ongrijpbaar gebleven.

in dit werk, Xu et al. revisited samenstellingen geproduceerd als tussenproducten in het eerder gevestigde reactienetwerk4 dat u en C. synthetiseert Zij identificeerden een weg waarin een sleutel tussenpersoon van pyrimidine-nucleoside synthese, ribo-aminooxazoline (Rao; Fig. 1), kan ook in twee nucleosiden van purinedna, deoxyadenosine (dA) en deoxyinosine (dI, die niet één van de standaard nucleosiden in modern DNA wordt gevonden) worden omgezet. Cruciaal is dat deze DNA-nucleosiden basenparen kunnen vormen met U en C. De vier nucleosiden-U, C, dA en dI-vormen daarom een compleet ‘alfabet’ dat genetische informatie in nucleïnezuren in een prebiotische RNA–DNA-wereld zou kunnen hebben gecodeerd.

belangrijk is dat de synthese van dA en dI parallel met die van U en C kan plaatsvinden, waardoor mengsels van de vier producten ontstaan in opbrengsten en verhoudingen die geschikt zijn voor de opbouw van een genetisch systeem. Deze Wederzijdse Verenigbaarheid van de twee synthetische wegen verhoogt de plausibiliteit van het reactienetwerk als prebiotisch systeem — als de twee syntheses incompatibel waren, dan zouden geologische scenario ‘ s moeten worden gekunsteld om uit te leggen hoe zij in verschillende pools konden worden gescheiden om de chemie toe te laten om voor te komen, en dan gecombineerd om de vorming van hybride RNA–DNA molecules mogelijk te maken. Onder bepaalde reactieomstandigheden kunnen U en C alleen overleven in de aanwezigheid van de thioanhydropurineverbindingen die als directe voorlopers van dA en dI fungeren.

veel organische moleculen kunnen worden geproduceerd als links – en rechtshandige versies, bekend als enantiomeren, die elkaars spiegelbeeld zijn. Nochtans, nemen moderne nucleotiden en hun bouwstenen allen dezelfde enantiomeric vorm aan. Een van de belangrijkste moeilijkheden in het onderzoek van oorsprong-van-het leven is om uit te leggen hoe de enige enantiomers uit eenvoudige precursormolecules zouden kunnen zijn geproduceerd die geen handigheid hebben en die op prebiotic aarde zouden kunnen hebben gevormd. De purinesynthese van Xu en collega’ s is in dit opzicht aantrekkelijk, omdat het zeer selectief is voor de enantiomeren en andere isomeren van nucleosiden die in de moderne biologie worden waargenomen.

alternatieve routes zijn gemeld voor de gecombineerde prebiotische synthese van pyrimidine en purinenucleosiden en nucleotiden 6, 7. Deze routes vereisen het gebruik van chemisch en enantiomerisch zuivere suikers als uitgangsmateriaal, wat het probleem vormt dat andere, vaak onbekende, prebiotische processen nodig zouden zijn geweest om deze uitgangsmaterialen te leveren8. Daarentegen wordt de enantioselectiviteit gerapporteerd door Xu et al. afgeleid van RAO, die kan kristalliseren als een enkele enantiomeer uit reacties waarbij de grondstoffen zijn bijna racemic9 (dat wil zeggen, de grondstoffen bestaan uit een bijna gelijk mengsel van enantiomeren).

Nucleosidesynthese kan ook leiden tot producten waarbij de nucleosidebasis in de verkeerde richting aan de suiker is gehecht. In de synthetische route van Xu en collega’ s treedt een UV-geïnduceerde chemische reductie op die leidt tot de opvallend selectieve vernietiging van deze ongewenste bijproducten, waarbij uiteindelijk alleen de biologisch relevante isomeren van de purines worden geproduceerd. Gezien het feit dat de vroege aarde sterk door UV werd bestraald, suggereert de opmerkelijke selectiviteit van deze reactie een mogelijk mechanisme waardoor de totale pool van potentiële nucleïnezuurisomeren werd gereduceerd tot de subset van isomeren die vandaag in de natuur wordt waargenomen.het werk van

Xu en collega’ s ondersteunt een visie op de vroege moleculaire evolutie die enigszins verwijderd is van de conventionele ‘zuivere’ RNA-wereldhypothese, en biedt misschien een meer plausibele route naar de oorsprong van het leven uit gemengde en complexe chemische omgevingen. Gezien het gebrek aan ‘chemische fossielen’, en de onzekerheid over de exacte omstandigheden en chemie die zich op de vroege aarde voordeden, is het onmogelijk om te zeggen welke chemische routes er daadwerkelijk plaatsvonden. In plaats daarvan moeten we ervoor zorgen dat voorgestelde systemen zo dicht mogelijk aansluiten bij ons begrip van wat realistisch gezien op prebiotische aarde had kunnen gebeuren — niet alleen de chemie, maar ook de algehele complexiteit van de reactienetwerken en hun compatibiliteit met andere processen.

in het huidige werk tonen de auteurs aan dat de vier nucleosiden inderdaad kunnen worden geproduceerd door processen waarvan redelijkerwijs kan worden verwacht dat ze op de vroege aarde hebben plaatsgevonden (zoals hydrolyse, drogen en UV-straling), en bieden zij plausibele synthetische routes die de reacties van de vereiste grondstoffen kunnen voorzien. Echter, zoals voor alle prebiotische syntheses, blijft het moeilijk om de werkelijke micro-omgeving voor te stellen die de vele specifieke chemische transformaties had kunnen ondersteunen die nodig zijn om de bouwstenen van het leven in kwantiteit te produceren.

Niettemin laat het werk van Xu en collega’ s op indrukwekkende wijze zien hoe een volledig genetisch alfabet zou kunnen ontstaan. Ongeacht of we denken dat het leven ontwikkeld uit RNA alleen, of uit meer complexe mengsels van nucleïnezuren, systemen-niveau denken om wederzijds compatibele prebiotische chemische routes zal cruciaal zijn voor het ontwikkelen van echt plausibele modellen van de eerste stadia van het ontstaan van het leven.