Hur kunde prebiotiska informationsbärande DNA-sekvenser överleva i konkurrensen från ett stort överskott av kortare molekyler med slumpmässiga sekvenser? LMU-forskare visar nu att en relativt enkel mekanism kunde ha gjort susen.

Livet är en fråga om energi och information – mycket information – mer specifikt, den ärftliga information som lagras i DNA:t som finns i alla levande celler. Således är kodningskapaciteten hos kärn-DNA som finns i varje däggdjurscell ekvivalent med cirka 700 Mbyte. Denna information har ackumulerats och överförts framgångsrikt under miljarder år av evolution. För forskare som Dieter Braun (professor i systembiofysik vid LMU) som är intresserade av att förstå hur livet på jorden uppstod, en av många frågor som detta väcker är hur de allra första informationsmolekylerna som bildades under prebiotiska förhållanden kunde ha utkonkurrerat sina många rivaler med mycket mindre informationsinnehåll.

I samarbete med sin kollega professor Shoichi Toyabe från Tohoku University i Sendai (Japan), som redan har gjort många arbetsbesök på sitt laboratorium, Braun rapporterar nu en uppsättning experiment och simuleringar som tyder på att en ganska enkel mekanism i princip kan lösa paradoxen, och kunde ha gjort det möjligt för primordiala informationssekvenser att överleva. Det innebär i sin tur att all användbar genetisk information som råkade vara kodad i sådana sekvenser inte behöver ha försvunnit (som de myriader av slumpmässiga sekvenser) tillbaka till kaoset från vilket de uppstod, eller successivt fragmenterats till kortare och kortare molekyler (vilket de flesta modellerna av ursoppan indikerar var mest sannolikt att replikeras) och i huvudsak späddes ut.

Den mallade ligeringsmekanismen som föreslagits av Braun och Toyabe är en välkänd molekylär genetisk process i moderna celler. När två enkelsträngade DNA-molekyler binder till intilliggande regioner av en längre sträng (mallen), de två kan lätt kopplas till varandra (ligerade) med samma typ av mekanism som först gav upphov till dem. "Så länge denna enkla mekanism är tillgänglig under rådande reaktionsförhållanden, kompatibla DNA-segment kan väljas från en slumpmässig blandning av sekvenser och föras till en position som gör att de kan länkas samman för att skapa en längre sträng, " förklarar Braun.

På det här sättet, beroende på de relativa koncentrationerna av de komplementära sekvenserna, scenen är redo för intermolekylärt samarbete. Högre temperaturer och branta temperaturgradienter – som de som tros ha kännetecknat de smala, vattenfyllda porer i vulkaniska bergarter där primordial DNA-syntes kan ha förekommit - främjar sammansättningen av kortare molekyler till längre sekvenser. Detta skulle möjliggöra snabbare urval, förlängning och efterföljande replikering av längre molekyler. Med andra ord, mallbaserad ligering kan skapa stabila majoriteter genom att främja sammansättningen och replikeringen av sekvenser som är tillräckligt komplexa för att koda den första genetiska informationen. För författarna till den nya tidningen, "dessa kooperativa ligationsnätverk ger ett exempel på symmetribrott, en välkänd mekanism för strukturbildning inom fysiken, säger Braun.

På 1970-talet Manfred Eigen (Nobelpriset i kemi 1967) och Peter Schuster utvecklade sin "hypercykel"-modell som en teoretiskt genomförbar väg från de tidigaste prebiotiska DNA-sekvenserna till stabil överföring av genetisk information. Dock, de saknade ett experimentellt handhavbart system som skulle tillåta dem att efterlikna prebiotiska tillstånd på ett mer eller mindre realistiskt sätt. "Våra experimentella bidrag visar, att det är möjligt att erhålla den erforderliga stabila majoriteten av informationssekvenser i ursoppan med de enklaste metoderna, " avslutar Braun.