Att försöka förklara hur DNA och RNA utvecklats för att bilda sådana snygga spiraler har varit en ökänd gåta inom vetenskapen. Men en ny studie tyder på att rotationen kan ha skett med lätthet för miljarder år sedan när RNA:s kemiska förfäder slumpmässigt snurrade till spiralformade trådar.

I labbet, forskare vid Georgia Institute of Technology blev förvånade över att se dem göra det under förhållanden som man trodde var vanliga på jorden precis innan det första livet utvecklades:i vanligt vatten, utan katalysatorer, och vid rumstemperatur.

Den snygga spiralen integrerade också elegant en annan förening som idag utgör ryggraden i RNA och DNA. Den resulterande strukturen hade egenskaper som starkt liknade RNA.

Avgörande vändningar

Studien har kommit ett steg närmare att besvara en kycklingäggsfråga om den evolutionära vägen som ledde till RNA (från vilket DNA senare utvecklades):Kom spiralen först, och påverkade denna struktur vilka molekylkomponenter som gjorde det senare till RNA eftersom de passade väl in i spiralen?

"Spiraliseringen kunde ha haft en förstärkande effekt. Det hade kunnat underlätta för molekylerna att kopplas ihop som har samma kiralitet (kurva) för att ansluta till en gemensam ryggrad som är kompatibel med spiralvridningen, "sade studiens huvudutredare Nicholas Hud, Regentsprofessor i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.

Forskarna publicerade den nya studien i tidskriften Angewandte Chemie i december 2018. Forskningen finansierades av National Science Foundation och NASA Astrobiology Program under Center for Chemical Evolution. Centret har sitt huvudkontor på Georgia Tech, och Hud är dess främsta utredare.

Studiens resulterande polymerer var inte RNA men kan ha varit ett viktigt mellansteg i den tidiga utvecklingen av RNA. För byggstenar, forskarna använde basmolekyler som kallas "proto-nukleobaser, "Mycket misstänkt för att vara föregångare till nukleobaser, huvudkomponenter som transporterar genetisk kod i dagens RNA.

Nukleobasparadox

Studien var tvungen att kringgå en paradox i kemisk utveckling:

Att göra RNA eller DNA med sina faktiska nukleobaser i labbet utan hjälp av de enzymer i levande celler som vanligtvis gör det här jobbet är mer än en herkulös uppgift. Således, även om RNA och DNA finns överallt på jorden nu, deras utveckling på jorden före livet tycks ha varit en anomali som kräver oregelbundna konvergenser av extrema förhållanden.

Däremot, Georgia Tech-forskarnas modell för kemisk utveckling hävdar att prekursor-nukleobaser enkelt monteras ihop till förfädernas prototyper-som var polymerliknande och kallade sammansättningar-som senare utvecklades till RNA.

"Vi skulle kalla dessa" proto-nukleobaser "eller" förfädernas nukleobaser, '"Sa Hud." För vår övergripande modell för kemisk utveckling, vi säger att dessa proto-nukleobaser, som självmonteras i dessa långa trådar, kunde ha varit en del av ett mycket tidigt skede innan moderna nukleobaser införlivades. "

En huvudsakligen misstänkt proto-nukleobas i detta experiment-och i tidigare experiment om möjlig utveckling av RNA-var triaminopyrimidin (TAP). Cyanursyra (CA) var en annan. Forskarna misstänker att TAP och CA var delar av ett proto-RNA.

De kemiska bindningarna som håller ihop sammansättningar av de två misstänkta proto-nukleobaserna var förvånansvärt starka men icke-kovalenta, vilket liknar anslutning av två magneter. I RNA är huvudbindningarna som håller ihop moderna nukleobaser kovalenta bindningar, besläktad med svetsning, och enzymer gör dessa bindningar i celler idag.

Spiralfördomar

En helix kan spiraliseras på två sätt, vänsterhänt eller högerhänt. Inom kemi, en molekyl kan också lämnas, eller kiral, att göra för "L" eller "D" former av molekylen.

Tillfälligtvis, byggstenarna i dagens RNA och DNA är alla D -form, som gör en högerhänt helix. Varför de utvecklades så här är fortfarande ett mysterium.

Partier av TAP och CA började forskarna med att producera ungefär lika stora mängder höger- och vänsterhänta spiraler, men något stack ut:Hela regioner i ett parti var partiska i en riktning och var separerade från andra regioner som spirade mestadels åt andra hållet.

"Benägenheten för molekylerna att välja en spiralriktning var så stark att stora delar av satserna huvudsakligen bestod av sammansättningar som var enriktade vridna, "Sa Hud.

Detta var förvånande eftersom de enskilda molekylerna i TAP och CA inte hade någon egen kiralitet, varken L eller D. Ändå, vändningarna hade en föredragen riktning.

'världsrekord'

Forskarna lade till ytterligare två experiment för att testa hur starkt deras RNA-liknande sammansättningar föredrog att göra enhandsspiraler.

Först, de introducerade en smidgeon av föreningar som liknar TAP och CA, men som hade L- eller D -kiralitet, att knuffa spiralriktningen. Hela satsen överensstämde med kiraliteten för respektive tillsats, vilket resulterar i sammansättningar som vrider sig i en enhetlig riktning som spiraler gör i RNA och DNA idag.

"Det var det nya världsrekordet för den minsta mängden kiral dopning (tillsats) som skulle vända en hel lösning, "sa Suneesh Karunakaran, studiens första författare och forskare i Huds laboratorium. "Detta visade hur lätt det skulle vara i naturen att få rikliga mängder enhetliga spiraler."

Andra, de lägger sockerföreningen ribos-5-fosfat tillsammans med TAP för att närmare efterlikna de nuvarande byggstenarna i RNA. Ribosen föll på plats, och det resulterande aggregatet spiraliserades i en riktning som dikterades av riboschiraliteten.

"Denna molekyl bildade lätt en RNA-liknande sammansättning som var förvånansvärt stabil, även om bitarna bara hölls samman av icke-kovalenta bindningar, "Sa Karunakaran.

Evolution revolution

Studiens resultat under sådana enkla förhållanden representerar ett steg framåt i experimentella bevis för hur den spiralformade vridningen av biomolekyler redan kunde ha varit på plats långt innan livet uppstod.

Forskningen utökar också en växande mängd bevis som stöder en okonventionell hypotes av Center for Chemical Evolution, som avstår från behovet av en berättelse om att sällsynta katastrofer och osannolika ingredienser var nödvändiga för att producera livets tidiga byggstenar.

Istället, de flesta biomolekyler uppstod sannolikt i flera gradvisa steg, på tyst, regnsvepna smutslägenheter eller sjöstränder som slog av vågor. Prekursormolekyler med rätt reaktivitet möjliggjorde dessa steg enkelt och producerade rikligt med material för ytterligare evolutionära steg.

Källare ingenjör

I labbet, helix självmontering var så produktiv att den överträffade en detektionsenhets förmåga att undersöka utmatningen. Regioner på en kvadratmillimeter eller mer i storlek packades med enriktade spiralformade polymerliknande sammansättningar.

"För att titta på dem var jag tvungen att göra justeringar av utrustningen, "sa Karunakaran." Jag slog hål i en folie och lade den framför strålen på vår spektropolarimeter. "

Det fungerade men behövde förbättras, så Hud tog sig till sin källare hemma för att bygga en automatiserad skanner som kunde hantera experimentets stora resultat. Det avslöjade stora områden med spiraler med samma hand.