Livet på jorden har sitt ursprung i ett intimt samarbete mellan nukleinsyrorna (genetiska instruktioner för alla organismer) och små proteiner som kallas peptider, enligt två nya artiklar från biokemister och biologer vid University of North Carolina vid Chapel Hill och University of Auckland. Deras "peptid-RNA"-hypotes motsäger den utbredda "RNA-världs"-hypotesen, som säger att livet har sitt ursprung i nukleinsyror och först senare utvecklats till att omfatta proteiner.

De nya tidningarna - en in Molekylärbiologi och evolution , den andra i Biosystems - visar hur nya experimentella studier av två enzymsuperfamiljer övervinner de svåra teoretiska frågorna om hur komplext liv uppstod på jorden för mer än fyra miljarder år sedan.

"Tills nu, det har ansetts vara omöjligt att genomföra experiment för att penetrera genetikens ursprung, " sa medförfattaren Charles Carter, PhD, professor i biokemi och biofysik vid UNC School of Medicine. "Men vi har nu visat att experimentella resultat överensstämmer vackert med 'peptid-RNA'-teorin, och så dessa experiment ger ganska övertygande svar på vad som hände i början av livet på jorden."

De speciella egenskaperna hos förfädernas versioner av dessa enzymsuperfamiljer, och det självförstärkande återkopplingssystem som de skulle ha bildat med de första generna och proteinerna, skulle ha kickstartat tidig biologi och drivit de första livsformerna mot större mångfald och komplexitet, sa forskarna.

Medförfattare Peter Wills, PhD, professor i fysik vid University of Auckland, sa, "Jämfört med RNA-världshypotesen, vad vi har beskrivit är helt enkelt ett mycket mer troligt scenario för livets ursprung. Vi hoppas att våra data och teorin vi har beskrivit i dessa artiklar kommer att stimulera diskussion och ytterligare forskning om frågor som är relevanta för livets ursprung."

De två forskarna är fullt medvetna om att RNA-världshypotesen fortfarande dominerar forskningsfältet för livets ursprung. "Den teorin är så lockande och ändamålsenlig att de flesta människor helt enkelt inte tror att det finns något alternativ, " sa Carter. "Men vi är mycket säkra på att det finns det."

Innan det fanns liv på jorden, det fanns enkla kemikalier. På något sätt, de producerade både aminosyror och nukleotider som så småningom blev de proteiner och nukleinsyror som var nödvändiga för att skapa enstaka celler. Och de enskilda cellerna blev växter och djur. Forskning detta århundrade har avslöjat hur den ursprungliga kemiska soppan skapade livets byggstenar. Det finns också en utbredd vetenskaplig konsensus om den historiska vägen genom vilken celler utvecklades till växter och djur.

Men det är fortfarande ett mysterium hur byggstenarna för aminosyrorna först monterades enligt kodade nukleinsyramallar i proteinerna som bildade alla cellers maskineri.

Den allmänt accepterade RNA-världsteorin hävdar att RNA - den molekyl som idag spelar roller i kodningen, reglerande, och uttrycker gener - upphöjde sig från ursoppan av aminosyror och kosmiska kemikalier, så småningom att först ge upphov till korta proteiner som kallas peptider och sedan till encelliga organismer.

Carter och Wills hävdar att RNA inte kunde kickstarta denna process ensam eftersom den saknar en egenskap som de kallar "reflexivitet". Den kan inte tillämpa de regler som den är gjord av. RNA behövde peptider för att bilda den reflexiva återkopplingsslingan som är nödvändig för att så småningom leda till livsformer.

I hjärtat av peptid-RNA-teorin är enzymer så gamla och viktiga att deras rester fortfarande finns i alla levande celler och till och med i vissa subcellulära strukturer, inklusive mitokondrier och virus. Det finns 20 av dessa gamla enzymer som kallas aminoacyl-tRNA-syntetaser (aaRS).

Var och en av dem känner igen en av de 20 aminosyrorna som fungerar som proteiners byggstenar. (Proteiner, betraktas som livets maskiner, katalysera och synkronisera de kemiska reaktionerna inuti cellerna.) I moderna organismer, en aaRS länkar effektivt sin tilldelade aminosyra till en RNA-sträng som innehåller tre nukleotider som är komplementära till en liknande sträng i den transkriberade genen. aaRS spelar alltså en central roll för att omvandla gener till proteiner, en process som kallas översättning och som är väsentlig för alla livsformer.

De 20 aaRS -enzymerna tillhör två strukturellt olika familjer, var och en med 10 aaRS. Carters senaste experimentella studier visade att de två små enzymförfäderna till dessa två familjer kodades av motsatta, komplementära strängar av samma lilla gen. Enkelheten i detta arrangemang, med sin initiala binära kod för bara två sorters aminosyror, antyder att det inträffade i biologins gryning. Dessutom, den täta, yin-yang ömsesidigt beroende av dessa två relaterade men mycket distinkta enzymer skulle ha stabiliserat tidig biologi på ett sätt som gjorde den ordnade diversifieringen av livet som följde oundviklig.

"Dessa ömsesidigt beroende peptider och nukleinsyrorna som kodar för dem skulle ha kunnat hjälpa varandras molekylära självorganisering trots de ständiga slumpmässiga störningarna som drabbar alla molekylära processer, ", sa Carter. "Vi tror att det är detta som gav upphov till en peptid-RNA-värld tidigt i jordens historia, " sa Carter.

Relaterad forskning av Carter och UNC -kollegan Richard Wolfenden, PhD, avslöjade tidigare hur de intima kemierna av aminosyror möjliggjorde att de första aaRS -enzymerna vika ordentligt till funktionella enzymer, samtidigt som man bestämmer tilldelningarna i den universella genetiska kodningstabellen.

"Förhållandet av förhållandet mellan gener och aminosyror beror på aaRS, som själva kodas av gener och är gjorda av aminosyror, " sa Wills. "AaRSs, i tur och ordning, beror på samma relation. Det finns en grundläggande reflexivitet på jobbet här. Teoretikern Douglas Hofstadter kallade det en "konstig slinga". Vi föreslår att detta, för, spelade en avgörande roll för biologins självorganisation när livet började på jorden. Hofstadter hävdade att reflexivitet tillhandahåller kraften som driver framväxten av komplexitet."

Carter och Wills utvecklade ytterligare två skäl till varför en ren RNA-biologi av någon betydelse inte var sannolik att ha föregått en peptid-RNA-biologi. En orsak är katalys - accelerationen av kemiska reaktioner som involverar andra molekyler.

Katalys är en nyckelfunktion inom biologi som RNA inte kan utföra med mycket mångsidighet. Särskilt, RNA-enzymer kan inte lätt anpassa sina aktiviteter till temperaturförändringar som sannolikt har inträffat när jorden svalnat, och kan därför inte utföra det mycket breda intervallet av katalytiska accelerationer som skulle ha varit nödvändiga för att synkronisera biokemin för tidiga cellbaserade livsformer. Endast peptid- eller proteinenzymer har den typen av katalytisk mångsidighet, sa Carter.

För det andra, Wills har visat att omöjliga hinder skulle ha blockerat varje övergång från en ren-RNA-värld till en protein-RNA-värld och vidare mot livet.

"En sådan ökning från RNA till cellbaserat liv skulle ha krävt ett out-of-the-blue utseende av ett aaRS-liknande protein som fungerade ännu bättre än dess anpassade RNA-motsvarighet, "Carter sa." Den extremt osannolika händelsen skulle ha behövt inträffa inte bara en gång utan flera gånger - en gång för varje aminosyra i den befintliga genproteinkoden. Det är helt enkelt inte vettigt."

Således, eftersom den nya Carter-Wills teorin faktiskt tar upp verkliga problem med livets ursprung som döljs av ändamålsenligheten med RNA-världshypotesen, det är faktiskt en mycket enklare redogörelse för hur saker och ting förmodligen hände precis innan livet på jorden steg ur ursoppan.