genetyczne polimery RNA i DNA są kluczowe dla przechowywania informacji we wszystkich systemach biologicznych i jako takie stanowią rdzeń większości hipotez o pochodzeniu życia. Najbardziej znaną z tych teorii jest hipoteza „RNA world”, która zakłada, że RNA był kiedyś zarówno głównym nośnikiem informacji, jak i katalizatorem reakcji biochemicznych na Ziemi przed pojawieniem się życia1. Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich kilku lat (patrz ref. 2, na przykład) sugerują, że pierwsze systemy genetyczne mogły być oparte na cząsteczkach kwasu nukleinowego, które zawierają zarówno nukleotydy RNA, jak i DNA, które następnie stopniowo rozdzielają się na dzisiejsze RNA i DNA. Writing in Nature, Xu et al.3 oferują fascynujące eksperymentalne wsparcie dla mieszanego świata RNA-DNA.
uważa się, że pierwotne procesy geochemiczne doprowadziły do powstania bloków budulcowych kwasów nukleinowych — nukleotydów i nukleozydów (nukleotydów pozbawionych grupy fosforanowej). W odpowiednich warunkach, te bloki konstrukcyjne polimeryzowane i powstałe nici ostatecznie replikowane, bez pomocy nowoczesnych enzymów białkowych.
pracownicy z tej samej grupy badawczej co Xu et al. wcześniej zidentyfikowano sieć reakcji promowanych przez światło ultrafioletowe, które doprowadziły do syntezy dwóch standardowych nukleozydów występujących w RNA: urydyny (U) i cytydyny (C), które są łącznie znane jako pirymidyny (Fig. 1). Reakcje te rozpoczęły się od cyjanowodoru (HCN) i jego pochodnych, prostych cząsteczek uważanych za łatwo dostępne na wczesnej Ziemi. Dalsze badania i rozwój tej sieci reakcji podniosły intrygującą możliwość, że prekursory białek i lipidów mogły powstać jednocześnie z nukleozydami5-zapewniając tym samym trzy główne typy cząsteczek potrzebne do budowy komórek. Jednak komplementarna droga do tworzenia pozostałych dwóch standardowych nukleozydów RNA (adenozyny i guanozyny, znanych jako puryn) przy użyciu tej samej chemii opartej na HCN pozostała nieuchwytna.
Rysunek 1 / Sieć reakcji, która wytwarza zarówno podjednostki DNA, jak i RNA. Wiadomo było, że sieć reakcji chemicznych wytwarza podjednostki RNA cytydyny (C) i urydyny (U), w warunkach, które mogły wystąpić na prebiotycznej Ziemi4. Sieć rozpoczyna się od cyjanowodoru (HCN) i przechodzi przez półprodukt o nazwie rybo-aminooksazolina (RAO). Xu i in.3 Teraz donoszą, że związki znane jako α-anhydropirymidyny wytwarzane w drodze do C i U mogą być również przekształcane równolegle do podjednostek DNA deoksyinozyny (dI) i deoksyadenozyny (dA). Podjednostki te mogą tworzyć pary zasad Z C i U. cztery podjednostki — c, u, dI i dA-stanowią zatem kompletny genetyczny 'alfabet’, który mógł być użyty do kodowania informacji biologicznych na wczesnej Ziemi.
ponownie zbadano związki wytwarzane jako związki pośrednie w wcześniej ustanowionej sieci reakcyjnej4, które syntetyzują U i C. zidentyfikowano szlak, w którym kluczowy związek pośredni syntezy pirymidynowo-nukleozydowej, rybo-aminooksazolina (RAO; Fig. 1), można również przekształcić w dwa nukleozydy purynowego DNA, deoksyadenozynę (dA) i deoksyinozynę (dI, który nie jest jednym ze standardowych nukleozydów występujących we współczesnym DNA). Co najważniejsze, te nukleozydy DNA mogą tworzyć pary zasad Z U i C. Cztery nukleozydy-u, c, dA i dI-stanowią zatem kompletny „alfabet”, który mógł zakodować informację genetyczną w kwasach nukleinowych w prebiotycznym świecie RNA–DNA.
co ważne, synteza dA i dI może przebiegać równolegle z syntezą U I C, wytwarzając mieszaniny czterech produktów w proporcjach i proporcjach odpowiednich do budowy układu genetycznego. Ta wzajemna kompatybilność dwóch syntetycznych ścieżek zwiększa wiarygodność sieci reakcji jako układu prebiotycznego-jeśli obie syntezy były niezgodne, to scenariusze geologiczne musiałyby zostać wymyślone, aby wyjaśnić, w jaki sposób mogły zostać rozdzielone na różne pule, aby umożliwić wystąpienie chemii, a następnie połączone, aby umożliwić tworzenie hybrydowych cząsteczek RNA–DNA. W szczególności, w pewnych warunkach reakcji U i C mogą przetrwać tylko w obecności związków tioanhydropuryny, które działają jako bezpośrednie prekursory dA i dI.
wiele cząsteczek organicznych może być wytwarzanych jako wersje lewostronne i prawostronne, znane jako enancjomery, które są lustrzanymi odbiciami siebie nawzajem. Jednak współczesne nukleotydy i ich bloki konstrukcyjne przybierają tę samą formę enancjomeryczną. Jedną z głównych trudności w badaniach nad pochodzeniem życia jest wyjaśnienie, w jaki sposób pojedyncze enancjomery mogły zostać wytworzone z prostych cząsteczek prekursorowych, które nie mają ręki i które mogły powstać na prebiotycznej Ziemi. Synteza puryn Xu i współpracowników jest pod tym względem atrakcyjna, ponieważ jest wysoce selektywna dla enancjomerów i innych izomerów nukleozydów obserwowanych we współczesnej biologii.
donoszono o alternatywnych sposobach skojarzonej prebiotycznej syntezy nukleozydów pirymidyny i puryny6,7. Drogi te wymagają stosowania jako materiałów wyjściowych czystych chemicznie i enancjomerycznie cukrów, co stwarza problem, że inne, często nieznane, procesy prebiotyczne byłyby konieczne do dostarczenia tych materiałów wyjściowych8. Natomiast enantioselectivity zgłaszane przez Xu et al. pochodzi z RAO, który może krystalizować jako pojedynczy enancjomer z reakcji, w których materiały wyjściowe są prawie racemic9 (to znaczy, materiały wyjściowe składają się z prawie równej mieszaniny enancjomerów).
synteza nukleozydów może również prowadzić do produktów, w których zasada nukleozydu jest przyłączona do cukru w niewłaściwej orientacji. W syntetycznym szlaku Xu i współpracowników następuje redukcja chemiczna wywołana promieniowaniem UV, która prowadzi do uderzająco selektywnego niszczenia tych niepożądanych produktów ubocznych, ostatecznie wytwarzając tylko biologicznie istotne izomery puryn. Biorąc pod uwagę, że wczesna ziemia była silnie napromieniowana przez UV, niezwykła selektywność tej reakcji sugeruje możliwy mechanizm, dzięki któremu całkowita Pula potencjalnych izomerów kwasu nukleinowego została zredukowana do podgrupy izomerów obserwowanych obecnie w przyrodzie.
prace Xu i współpracowników wspierają wizję wczesnej ewolucji molekularnej nieco usuniętą z konwencjonalnej hipotezy „czystego” świata RNA i być może oferują bardziej wiarygodną drogę do powstania życia z mieszanych i złożonych środowisk chemicznych. Biorąc pod uwagę brak „chemicznych skamieniałości” i niepewność co do dokładnych warunków i chemii, które miały miejsce na wczesnej ziemi, nie można powiedzieć, które szlaki chemiczne faktycznie miały miejsce. Zamiast tego musimy dopilnować, aby proponowane systemy były jak najbardziej zgodne z naszym zrozumieniem tego, co mogło się wydarzyć na prebiotycznej ziemi — nie tylko chemii, ale także ogólnej złożoności sieci reakcyjnych i ich kompatybilności z innymi procesami.
w obecnej pracy autorzy pokazują, że cztery nukleozydy mogą być rzeczywiście wytwarzane w procesach, które można racjonalnie oczekiwać, że miały miejsce na wczesnej Ziemi (takich jak hydroliza, suszenie i napromieniowanie UV) i zapewniają wiarygodne syntetyczne szlaki, które mogłyby dostarczyć reakcje z wymaganymi materiałami wyjściowymi. Jednak, podobnie jak w przypadku wszystkich syntez prebiotycznych, trudno jest wyobrazić sobie rzeczywiste mikrośrodowisko, które mogłoby wspierać wiele specyficznych przemian chemicznych wymaganych do wytworzenia bloków budulcowych życia w ilości.
niemniej jednak praca Xu i współpracowników w imponujący sposób pokazuje, jak powstał kompletny alfabet genetyczny. Bez względu na to, czy uważamy, że życie powstało z samego RNA, czy z bardziej złożonych mieszanin kwasów nukleinowych, myślenie na poziomie systemów w celu znalezienia wzajemnie kompatybilnych prebiotycznych szlaków chemicznych będzie kluczowe dla opracowania prawdziwie wiarygodnych modeli pierwszych etapów powstawania życia.