Enthüllen Sie die Geheimnisse des Lebens mithilfe des alten RNA-Codes

Enthüllt von Salik-Gelehrten RNA Fähigkeiten, die die darwinistische Evolution auf molekularer Ebene ermöglichen und Forscher der Produktion unabhängigen RNA-Lebens im Labor näher bringen.

Charles Darwin beschrieb die Evolution als „Abstieg mit Modifikation“. Genetische Informationen in Form von DNA Sequenzen werden von Generation zu Generation kopiert und weitergegeben. Allerdings muss dieser Prozess auch einigermaßen flexibel sein, damit im Laufe der Zeit subtile Variationen in den Genen entstehen und neue Merkmale in die Population eingeführt werden können.

Aber wie hat alles angefangen? Könnte es bei der Entstehung des Lebens, lange vor Zellen, Proteinen und DNA, zu einer ähnlichen Evolution in einem einfacheren Maßstab gekommen sein? In den 1960er Jahren schlugen Wissenschaftler, darunter auch der Salk-Kollege Leslie Orgill, vor, dass das Leben mit der „RNA-Welt“ begann, einer hypothetischen Ära, in der kleine, stranggebundene RNA-Moleküle die frühe Erde beherrschten und die Dynamik der darwinistischen Evolution begründeten.

Von der Low-Fidelity-Polymerase transkribierte Hammerhead-Sequenzen weichen von der ursprünglichen RNA-Sequenz (oben) ab und verlieren mit der Zeit ihre Funktion. Durch HD-Polymerase katalysierte Hammerhaie behalten ihre Funktion und entwickeln geeignetere Sequenzen (unten). Bildnachweis: Salk Institute

Wegweisende Forschung zur Rolle der RNA in der frühen Entwicklung

Neue Forschungen am Salk Institute liefern nun neue Einblicke in die Ursprünge des Lebens und liefern überzeugende Beweise für die RNA-World-Hypothese. Die Studie veröffentlicht in Tagungsband der National Academy of Sciences (PNAS) Am 4. März 2024 stellt er ein RNA-Enzym vor, das exakte Kopien anderer funktioneller RNA-Stränge erstellen kann und gleichzeitig die Entstehung neuer Varianten des Moleküls im Laufe der Zeit ermöglicht. Diese bemerkenswerten Fähigkeiten legen nahe, dass die ersten Formen der Evolution möglicherweise auf molekularer Ebene in der RNA stattgefunden haben.

Die Ergebnisse bringen Wissenschaftler auch der Wiederherstellung von RNA-basiertem Leben im Labor einen Schritt näher. Durch die Modellierung dieser primitiven Umgebungen im Labor können Wissenschaftler Hypothesen darüber, wie das Leben auf der Erde oder sogar auf anderen Planeten begann, direkt testen.

„Wir sind auf der Suche nach dem Beginn der Evolution“, sagt der leitende Autor und Präsident der Salk Foundation, Gerald Joyce. „Indem wir diese neuen Fähigkeiten der RNA aufdecken, enthüllen wir die potenziellen Ursprünge des Lebens selbst und wie einfache Moleküle den Weg für die Komplexität und Vielfalt des Lebens, die wir heute sehen, hätten ebnen können.“

Streudiagramme zeigen die Entwicklung der Hammerhai-Populationen über mehrere Evolutionsrunden. Durch die Low-Fidelity-Polymerase (52-2) transkribierte Hammerhaie weichen von der ursprünglichen RNA-Sequenz ab (weiße Linien) und verlieren ihre Funktion. Von einer neuartigen High-Fidelity-Polymerase (71-89) transkribierte Hammerhaie behalten ihre Funktion, wobei im Laufe der Zeit neue funktionelle Sequenzen entstehen. Bildnachweis: Salk Institute

Die einzigartige Funktion von RNA und das Streben nach Replikationstreue

Wissenschaftler können mithilfe von DNA die Evolutionsgeschichte moderner Pflanzen und Tiere bis zu den ältesten einzelligen Organismen zurückverfolgen. Doch was davor geschah, bleibt unklar. Doppelsträngige DNA-Helices eignen sich hervorragend zur Speicherung genetischer Informationen. Viele dieser Gene kodieren letztendlich für Proteine, komplexe molekulare Maschinen, die alle möglichen Funktionen erfüllen, um Zellen am Leben zu erhalten. Das Besondere an RNA ist, dass diese Moleküle beides können. Sie bestehen aus verlängerten Nukleotidsequenzen, ähnlich der DNA, können aber auch als Enzyme fungieren, um Reaktionen zu erleichtern, wie zum Beispiel Proteine. Könnte RNA also ein Vorläufer des Lebens sein, wie wir es kennen?

Wissenschaftler wie Joyce erforschen diese Idee seit Jahren, mit besonderem Fokus auf RNA-Polymerase-Ribozyme – RNA-Moleküle, die Kopien anderer RNA-Stränge erstellen können. Im letzten Jahrzehnt haben Joyce und sein Team im Labor RNA-Polymerase-Ribozyme entwickelt und dabei eine Form der gerichteten Evolution genutzt, um neue Versionen zu produzieren, die in der Lage sind, größere Moleküle zu replizieren. Die meisten von ihnen weisen jedoch einen schwerwiegenden Fehler auf: Sie sind nicht in der Lage, Sequenzen in ausreichend hohem Maße zu reproduzieren Genauigkeit. Über viele Generationen hinweg werden so viele Fehler in die Sequenz eingebaut, dass die resultierenden RNA-Stränge nicht mehr der ursprünglichen Sequenz ähneln und ihre Funktion vollständig verloren geht.

bis jetzt. Das neueste im Labor entwickelte RNA-Polymerase-Ribozym weist eine Reihe wichtiger Mutationen auf, die es ihm ermöglichen, einen RNA-Strang mit viel größerer Genauigkeit zu kopieren.

Von links: David Horning, Gerald Joyce und Nikolaos Papastavrou. Bildnachweis: Salk Institute

In diesen Experimenten ist der zu transkribierende RNA-Strang der „Hammerkopf“, ein kleines Molekül, das andere RNA-Moleküle in Stücke bricht. Die Forscher waren überrascht, als sie herausfanden, dass das RNA-Polymerase-Ribozym nicht nur funktionelle Hammerhaie präzise nachbildete, sondern im Laufe der Zeit auch neue Variationen der Hammerhaie auftauchten. Diese neuen Varianten zeigten eine ähnliche Leistung, aber ihre Mutationen machten sie leichter zu reproduzieren, was ihre evolutionäre Fitness steigerte und schließlich dazu führte, dass sie im Labor die Hammerhaipopulationen dominierten.

„Wir haben uns schon lange gefragt, wie einfach das Leben am Anfang war und als es die Fähigkeit erlangte, sich selbst zu verbessern“, sagt Erstautor Nikolaos Papastavrou, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor. „Diese Studie legt nahe, dass der Beginn der Evolution sehr früh und sehr einfach gewesen sein könnte. Etwas auf der Ebene einzelner Moleküle könnte die darwinistische Evolution vorangetrieben haben, und dies könnte der Funke gewesen sein, der es dem Leben ermöglichte, komplexer zu werden und sich von Molekülen zu weiterzuentwickeln Zellen zu Organismen.“ Vielzellig.

Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Bedeutung der Replikationstreue für die Ermöglichung der Evolution. Die Genauigkeit der RNA-Polymerase-Transkription muss einen kritischen Schwellenwert überschreiten, um vererbbare Informationen über mehrere Generationen hinweg aufrechtzuerhalten. Dieser Schwellenwert wäre mit zunehmender Größe und Komplexität der sich entwickelnden RNA gestiegen.

Die Zukunft der RNA-Forschung und des unabhängigen Lebens

Joyces Team stellt diesen Prozess in Laborreagenzgläsern nach und übt einen zunehmenden selektiven Druck auf das System aus, um leistungsfähigere Polymerasen zu produzieren, mit dem Ziel, eines Tages eine RNA-Polymerase zu produzieren, die sich selbst replizieren kann. Dies würde den Beginn des autonomen RNA-Lebens im Labor markieren, das laut Forschern innerhalb des nächsten Jahrzehnts erreicht werden könnte.

Wissenschaftler interessieren sich auch dafür, was passieren könnte, wenn die kleine „RNA-Welt“ mehr Unabhängigkeit erlangt.

„Wir haben gesehen, dass Selektionsdruck eine RNA mit einer bestehenden Funktion verbessern kann, aber wenn wir zulassen, dass sich das System mit größeren Sätzen von RNA-Molekülen länger entwickelt, können dann neue Funktionen erfunden werden?“ sagt Co-Autor David Horning, ein Wissenschaftler in Joyces Labor. „Wir freuen uns darauf, die Frage zu beantworten, wie das frühe Leben mit den hier bei Salk entwickelten Werkzeugen komplexer werden könnte.“

Die in Joyces Labor verwendeten Methoden ebnen auch den Weg für zukünftige Experimente, die andere Ideen über den Ursprung des Lebens testen, einschließlich der Frage, welche Umweltbedingungen die RNA-Evolution sowohl auf der Erde als auch auf anderen Planeten am besten unterstützen könnten.

Referenz: „Evolution of RNA-catalyzed RNA“ von Nikolaos Papastavrou, David P. Horning und Gerald F. Joyce, 4. März 2024, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Die Arbeit wurde bereits zuvor unterstützt NASA (80NSSC22K0973) und der Simons Foundation (287624).