Utvecklingen av celler och organismer tros ha föregåtts av en fas där informationsmolekyler som DNA kunde replikeras selektivt. Nytt arbete visar att hårnålsstrukturer gör särskilt effektiva DNA-replikatorer.

I metabolismen av alla levande organismer finns en tydlig arbetsfördelning:Nukleinsyror (DNA och RNA) bär informationen för syntesen av proteiner, och proteiner tillhandahåller de strukturella och verkställande funktioner som krävs av celler, såsom den kontrollerade och specifika katalysen av kemiska reaktioner av enzymer. Dock, under de senaste decennierna, det har blivit tydligt att denna distinktion inte på något sätt är absolut. I synnerhet är RNA kapabelt att ignorera gränsen som beskrivs ovan och är känt för att spela en katalytisk roll i många viktiga processer. Till exempel, vissa RNA-molekyler kan katalysera replikeringen av andra nukleinsyror, och denna mångsidighet kan hjälpa till att förklara hur livet uppstod på jorden.

Nukleinsyramolekyler är uppbyggda av subenheter som kallas nukleotider, som skiljer sig åt i sina så kallade baser. Baserna som finns i RNA kallas A, C, G och U (DNA använder T i stället för U). Dessa baser delas in i två komplementära par, vars medlemmar interagerar specifikt, A med T (eller U) och G med C. Denna komplementaritet är vad som står för stabiliteten hos DNA-dubbelhelixen, och gör det möjligt för enstaka strängar av RNA att vikas till komplexa former.

Livet tros ha uppstått ur en process av kemisk utveckling där nukleinsyrasekvenser selektivt kunde replikeras. Således, i prebiotiska system reproducerades vissa molekylära "arter" som bar information på andras bekostnad. I biologiska system, sådan selektivitet medieras normalt av så kallade primers – strängar av nukleinsyra som parar sig (som beskrivits ovan) med en del av molekylen som ska replikeras, för att bilda en kort dubbelspiral. Primern ger en startpunkt för förlängningen av den dubbelsträngade regionen för att bilda en ny dottersträng. Dessutom, denna process kan rekonstrueras i provröret.

För- och nackdelar med hårnålsreplikatorer

Georg Urtel och Thomas Rind, som är medlemmar i forskargruppen ledd av Dieter Braun (professor i systembiofysik vid LMU), har använt ett sådant system för att identifiera egenskaper som kan gynna den selektiva replikeringen av DNA-molekyler. För sina experiment, de valde en enkelsträngad DNA-sekvens som antar en så kallad hårnålsstruktur. I dessa molekyler, bassekvenserna i vardera änden är komplementära till varandra, liksom korta sekvenssträckor inom resten av molekylen. Denna fördelning av komplementära sekvenser får en sådan sträng att vikas till en hårnålsliknande konformation.

Tack vare parningsreglerna ovan, replikering av en enkel DNA-sträng ger en andra sträng vars sekvens skiljer sig från den första. Varje sträng av en icke-hårnålsstruktur behöver därför sin egen primer för replikering. Men med hårnålar, en primer räcker för att prima syntesen av både den ursprungliga och dess komplementära strängen. "Detta betyder att hårnålar är relativt enkla replikatorer, " påpekar Georg Urtel. Nackdelen är att hårnålsstrukturen gör primerbindningen svårare, och detta begränsar i sin tur deras replikeringshastighet. Molekylära arter som saknar hårnålsstrukturer har inte detta problem.

Samarbete slår konkurrensen

I efterföljande experiment upptäckte forskarna att två enkla hårnålsarter kunde samarbeta för att ge upphov till en mycket effektivare replikator, som kräver två primrar för dess amplifiering. De två hårnålsarterna som valdes ut krävde var och en olika primer, men deras sekvenser var delvis identiska. Bytet till kooperativ replikering sker när replikeringen av en av hårnålarna stannar. "I regel, replikeringsprocesser i naturen är aldrig perfekta, ", säger Dieter Braun. "Ett sådant för tidigt stopp är inget som man behöver designa in i systemet. Det händer stokastiskt och vi använder det i våra experiment." Den delvis replikerade hårnålen kan, dock, binder till en molekyl av den andra arten, och fungerar som en primer som kan förlängas ytterligare. Dessutom, den resulterande produkten bildar inte längre en hårnål. Med andra ord, den representerar en ny molekylär art.

Räddad från utrotning

Sådana så kallade "korsningar" behöver två primers för sin replikering, men kan ändå replikeras betydligt snabbare än någon av deras hårnålsföräldrar. För ytterligare experiment visade att, vid seriell utspädning av befolkningen, hårnåls-DNA:n dör snart ut. Dock, sekvensinformationen de innehöll överlever i korsningarna och kan replikeras ytterligare.

Det omvända experimentet bekräftade att information verkligen är bevarad:Om korsningar levereras med endast en primer, motsvarande progenitor-hårnålsarter kan fortfarande replikeras genom den typ av växlingsprocess som nämns ovan. Men, i frånvaro av den andra primern, korsningen dör ut. "Således, korsningsprocessen möjliggör inte bara övergången från "enkla och långsamma" replikatorer till snabbare replikatorer, det gör det också möjligt för systemet att anpassa sig till rådande förhållanden, Urtel förklarar. "Det antyder också hur tidiga replikatorer kunde ha samarbetat med varandra under prebiotiska förhållanden innan levande system uppstod."