Proteinliknande aggregat som kallas amyloider kan binda till molekyler av genetiskt material. Det är möjligt att dessa två typer av molekyler stabiliserade varandra under livets utveckling – och att detta till och med kan ha banat väg för den genetiska koden.
Hur organismer utvecklas från livlös materia är en av de största frågorna inom vetenskapen. Även om många möjliga förklaringar har föreslagits finns det inga definitiva svar. Det är ingen överraskning:dessa processer ägde rum för 3 till 4 miljarder år sedan, när förhållandena på jorden var helt annorlunda än idag.
"Under denna enorma tidsperiod har evolutionen grundligt utplånat spåren som leder tillbaka till livets ursprung", säger Roland Riek, professor i fysikalisk kemi och biträdande chef för ETH Zürichs nya tvärvetenskapliga centrum för livets ursprung och förekomst. Vetenskapen har inget annat val än att formulera hypoteser – och att underbygga dem så noggrant som möjligt med experimentella data.
I flera år har Riek och hans team drivit idén om att proteinliknande aggregat, kända som amyloider, kan ha spelat en viktig roll i övergången mellan kemi och biologi.
Rieks forskargrupps första steg var att demonstrera att sådana amyloider kan bildas relativt lätt under de förhållanden som förmodligen rådde på den tidiga jorden:i laboratoriet krävs det bara lite vulkanisk gas (liksom experimentell skicklighet och mycket tålamod). ) för enkla aminosyror att kombineras till korta peptidkedjor, som sedan spontant sätts samman till fibrer.
Senare visade Rieks team att amyloider kan replikera sig själva - vilket innebär att molekylerna uppfyller ett annat avgörande kriterium för att betraktas som prekursormolekyler till livet. Och nu har forskarna intagit samma linje för tredje gången med sin senaste studie, där de visar att amyloider kan binda med molekyler av både RNA och DNA.
Dessa interaktioner är delvis baserade på elektrostatisk attraktion, eftersom vissa amyloider är - åtminstone på sina ställen - positivt laddade, medan det genetiska materialet bär en negativ laddning, åtminstone i en neutral till sur miljö. Men Riek och hans team har också märkt att interaktionerna också beror på sekvensen av RNA- och DNA-nukleotiderna i det genetiska materialet. Det betyder att de kan representera ett slags föregångare till den universella genetiska koden som förenar alla levande varelser.
Och ändå, "Även om vi ser skillnader i hur RNA- och DNA-molekylerna binder med amyloiderna, förstår vi ännu inte vad dessa skillnader betyder," säger Riek. "Vår modell är förmodligen fortfarande för enkel." Det är därför han ser en annan aspekt av resultaten som särskilt viktig:när det genetiska materialet fäster sig på amyloider får båda molekylerna stabilitet. I gamla tider kan denna ökade stabilitet ha visat sig vara en stor fördel.
Detta beror på att då, i den så kallade ursoppan, var biokemiska molekyler mycket utspädda. Jämför detta med dagens biologiska celler, inom vilka dessa molekyler är tätt packade. "Amyloider har den bevisade potentialen att öka den lokala koncentrationen och ordningen av nukleotider i ett annars utspätt stört system", skriver Rieks forskare i sin artikel publicerad i Journal of the American Chemical Society .
Riek påpekar att även om konkurrens är centralt i Darwins evolutionsteori har samarbete också spelat en stor evolutionär roll. Båda klasserna av molekyler drar nytta av den stabiliserande interaktionen mellan amyloider och RNA- eller DNA-molekyler eftersom långlivade molekyler ackumuleras starkare över tiden än instabila ämnen. Det kan till och med vara så att molekylärt samarbete snarare än konkurrens var den avgörande faktorn för livets uppkomst.
"Trots allt var det sannolikt ingen brist på utrymme eller resurser då," säger Riek.
Mer information: Saroj K. Rout et al, An Analysis of Nucleotide–Amyloid Interactions Reveals Selective Binding to Codon-Sized RNA, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c06287
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av ETH Zürich
