Forskare från Georgia Institute of Technology kan ha gjort framsteg i att hjälpa till att bestämma livets ursprung genom att identifiera tre olika molekyler som självbildar sig för att bilda en molekylstruktur med egenskaper som är karakteristiska för modernt RNA.

RNA – eller ribonukleinsyra – utför instruktionerna kodade i DNA, men tros också ha utvecklats före DNA. Många forskare tror att nukleinsyror – RNA:s NA – spelade en nyckelroll i livets uppkomst. En populär teori som kallas "RNA-världen" menar att RNA "uppfann" proteiner och så småningom DNA, men det väcker frågan, var kom RNA ifrån? Vissa tror att en kemisk eller biologisk process gradvis utvecklat en tidigare molekyl till RNA, medan andra kritar upp det till någon form av icke-enzymatisk, geokemisk reaktion. Det är en kyckling-eller-ägg-debatt:vilken biologisk process skulle kunna producera en central byggsten för själva livet? Om processen inte var biologisk, vad var det och hur gick det till?

Den nya studien fortsätter i traditionen från 1953 Miller-Urey-experimentet, där två forskare modellerade jordens tidiga förhållanden med en blandning av gaser och en elektrisk ström för att simulera blixtar. Det experimentet gav aminosyror, stödjer tanken att biologiska molekyler spontant kan uppstå från icke-biologiska under rätt omständigheter. Trots detta fynd, utmaningen att utforma ett scenario där icke-biologiska reaktioner skapar RNA har hittills visat sig oöverstiglig.

RNA:s ursprung förlorat i tidens dimmor

En av studiens författare, biokemisten Dr Nicholas Hud, noterar att de många kriterierna för RNA-bildning ofta innebär att när forskare föreslår en lösning på ett problem, ett annat problem (eller två) uppstår. Länkarna i RNA-kedjan, som kallas nukleotider, består av fyra baser:adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och uracil (U), samt ett fosfat och ett ribossocker. Leslie Orgel, som var en pionjär inom RNA World-idén, beskrev möjligheten att RNA utvecklades från en tidigare molekyl en "dyster utsikt, " eftersom det skulle göra det svårare att lösa ursprunget till RNA. Forskarna beslutade att det var dags att möta den utmaningen.

En omanalys 2008 av Miller-Urey-experimentet avslöjar produktionen av mycket fler icke-biologiska molekyler än man tidigare trott, som underbygger författarnas hypotes att molekyler som är nödvändiga för liv fanns på den prebiotiska jorden, men eftersom de inte spelar någon större roll i livet som vi nu känner det, vi har inte listat ut vilka molekyler eller vilka roller de spelade för alla dessa miljarder år sedan.

Enligt Hud, dessa molekyler var "förmodligen väldigt speciella eftersom de molekyler vi känner till inte beter sig på ett sätt som indikerar att de kan börja livet." Dessa molekyler kan också innehålla svar på andra frågor om livets ursprung.

Utvecklingen till RNA från en tidigare genetisk molekyl, eller proto-RNA, skulle ha varit inkrementell, och varje ny iteration skulle ha varit bakåtkompatibel, "som hur en uppdaterad dator fortfarande måste kunna läsa filer från äldre datorer, " berättar Hud Astrobiologi Magazine . Idag använder RNA och DNA vätebundna baspar för att överföra information. Således, de molekyler som inte bildar samma eller liknande baspar skulle aldrig ha fungerat, ledde forskarna att söka efter "basparande molekyler som skulle självselektera eller segregera sig själva på den tidiga jorden till någon form av struktur som skulle hjälpa dem att införlivas i proto-RNA, säger Hud.

Sökandet efter de ursprungliga molekylerna

Vilka var dessa urmolekyler som bildade RNA:s förfader? För att fastställa detta, forskarna studerade reaktioner under förhållanden som efterliknade regn- och förångningscykler på den tidiga jorden. Efter många misslyckade experiment, de identifierade tre molekylära kandidater för baserna av proto-RNA:barbitursyra, melamin, och 2, 4, 6-triaminopyrimidin. Reaktioner med dessa molekyler och ribossockret producerade nukleosider, som är sammansatta molekyler som är nära underenheterna av RNA.

Medan tidigare försök att förena de nuvarande baserna av RNA med ribos i tidiga jordreaktioner som modellerades antingen misslyckades, eller producerade nukleosider i endast mycket låga utbyten, forskarna mätte ett 82 % nukleosidutbyte med barbitursyra. Dessutom, melamin och triaminoprymidinmolekylerna bildade spontant nukleosider i över 50 % utbyte. Dr Niles Lehman, Professor i kemi vid Portland State University och chefredaktör för Journal of Molecular Evolution , anser att studien "ger ytterligare stöd för RNA World-teorin genom att tillhandahålla en rimlig serie händelser som tog naturen från kemiskt kaos till en mer definierad lagringsinformationsmolekyl."

Den vägen är inte helt klar, men det börjar ta form. Enligt Hud, deras kandidater för de förfäders baser av RNA är lockande nära dem för modernt RNA. Dock, mer behöver hända.

"Molekylerna vi har identifierat ser ut som om de kunde ha fungerat i ett tidigt genetiskt system, " säger Hud. "Men vi vill ha molekyler nära nog att du kan föreställa dig en evolutionär väg där de förändras till vad vi har idag." Även om påvisbar plausibilitet representerar ett steg framåt, frågan kvarstår om det är möjligt att hitta, och bekräfta sedan, de ursprungliga proto-RNA-molekylerna. Hud erkänner att även om sökningen kan verka skrämmande, "kemin är enorm, men inte oändligt. Om vi ​​accepterar några rimliga antaganden om RNA:s förfader, vi kan utesluta många möjligheter. Och kanske kan vi hitta det." Denna studie representerar ett viktigt steg på den vägen.

Livets ursprung någon annanstans

Att ta reda på hur RNA bildas kan hjälpa till att vägleda sökandet efter utomjordiskt liv. "Vi kan få värdefull insikt i nyckelproblem som måste övervinnas för att livet ska uppstå från icke-liv, " berättar Lehman Astrobiologi Magazine .

Att förstå hur liv uppstår kan hjälpa forskare att avgöra var och hur de ska leta efter liv någon annanstans. Aminosyror och kemiska föreningar som vätecyanid, som har upptäckts i kometer, kan ge upphov till RNA-baser, enligt Hud. En sådan reaktion skulle vara "robust, inte konstigt eller extraordinärt, " säger han. Liknande processer kan vara på gång på andra planeter och kan peka på de kemiforskare bör leta efter när de söker efter de tidigaste stadierna av livet någon annanstans.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.