Is dit hoe het leven begon? Piepklein molecuul zet grote stap

Een minuscuul RNA-molecuul doet iets wat tot nu toe onmogelijk leek: het maakt een kopie van zichzelf. Daarmee komen wetenschappers ineens een stap dichter bij het ontrafelen van hoe het eerste leven op aarde ooit kon ontstaan.

Britse onderzoekers beschreven in Science hoe ze een uitzonderlijk klein RNA-molecuul ontdekten dat onderdelen van een zelfreplicatiecyclus kan uitvoeren. Hun molecuul, QT45 genaamd, is een zogenoemd polymerase-ribozyme: een RNA-molecuul dat andere RNA-strengen kan bouwen door losse bouwstenen aan elkaar te koppelen. En dat is precies waar het bij de oorsprong van leven om draait.

Het grote mysterie: hoe begon leven?

Een van de grootste vragen in de biologie is hoe leven ontstond uit levenloze chemie. Daarvoor is een cruciale stap nodig: een systeem dat zichzelf kan kopiëren en kleine verschillen of fouten doorgeeft. Deze variatie maakt het mogelijk dat sommige kopieën beter overleven dan andere, waardoor natuurlijke selectie en evolutie kunnen beginnen.

Volgens de RNA-wereldhypothese begon het leven met RNA. RNA kan genetische informatie opslaan en het kan ook chemische reacties katalyseren. Dat maakt het een logische kandidaat voor een vroeg, zelfreplicerend systeem. Alleen wringt er al jaren iets: de RNA-moleculen die onderzoekers tot nu toe in het lab ontwikkelden om RNA te kopiëren, zijn meestal groot en complex, vaak 150 tot 300 nucleotiden lang. Zo ingewikkeld dat het moeilijk is te verklaren hoe zulke moleculen spontaan zouden kunnen ontstaan in de oersoep van de jonge aarde.

Een moleculair miniatuurtje

Het team besloot daarom opnieuw te beginnen met enorme verzamelingen willekeurige RNA-sequenties. Daaruit selecteerden ze moleculen die RNA-ketens konden verlengen met behulp van trinucleotide-trifosfaten, ook wel triplets genoemd. Dat zijn bouwstenen die telkens uit drie nucleotiden bestaan.

Uit die selectie kwam QT45 naar voren: een polymerase-ribozyme van slechts 45 nucleotiden, extreem klein voor een molecuul dat RNA kan kopiëren. Toch liet het in een reeks experimenten die de omstandigheden op de vroege aarde nabootsten zien dat het zichzelf kon repliceren. In een zoutwatermengsel met een mix van ijs en vloeistof synthetiseerde QT45 een complementaire RNA-streng en gebruikte deze vervolgens als sjabloon voor een nieuwe kopie.

Wat QT45 kan

Wanneer onderzoekers alle 64 mogelijke triplets aanbieden, kan QT45 een bijpassende kopie van zichzelf maken, de zogeheten complementaire minstreng, met een gemiddelde nauwkeurigheid van 94,1 procent per nucleotide. De opbrengst is nog bescheiden, ongeveer 0,24 procent na 72 dagen. Maar het principe is duidelijk: dit mini-RNA kan zichzelf in spiegelbeeld kopiëren.

QT45 kan ook een kopie van zichzelf synthetiseren vanaf zo’n complementair sjabloon, in een aparte reactie. Dat lukt met een opbrengst van circa 0,17 procent in 72 dagen. Van de volledig verlengde producten had ongeveer 43 procent precies de juiste sequentie. Daarmee zijn beide kernstappen van een eenvoudige zelfreplicatiecyclus in principe haalbaar, al is het proces nog traag en niet zelfonderhoudend.

Bovendien kan QT45 functionele RNA’s maken. Zo lukte het om een 33-nucleotide hammerhead-ribozyme te synthetiseren. De geproduceerde moleculen bleken katalytisch actief, met ongeveer 19 procent van de activiteit van een perfecte controlevariant. Met andere woorden: het kleine molecuul maakt niet alleen RNA, maar het kan ook RNA maken dat zelf iets doet.

Klein maar fijn

Een onverwacht voordeel van het compacte formaat is stabiliteit. QT45 heeft onder de testomstandigheden een halfwaardetijd van ongeveer 117 dagen, wat aanzienlijk langer is dan bij grotere polymerase-ribozymen in vergelijkbare experimenten.

De grote winst van deze studie zit echter niet in snelheid of opbrengst, want die zijn nog laag. De echte doorbraak is dat een RNA-motief van slechts 45 nucleotiden al in staat blijkt om zulke complexe taken uit te voeren. Dit suggereert dat het vermogen om RNA te kopiëren mogelijk veel vaker voorkomt dan wetenschappers dachten en maakt het scenario waarin eenvoudige RNA-systemen spontaan ontstaan een stuk aannemelijker.

Wat betekent dit voor het ontstaan van leven?

Voor echte evolutie zijn hogere efficiëntie en nauwkeurigheid nodig dan QT45 nu heeft laten zien. Tegelijk is belangrijk dat het molecuul pas een beperkt aantal evolutierondes in het lab heeft doorgemaakt. Er is dus ruimte voor verdere verbetering en precies daar ligt de volgende stap.

Als zulke kleine RNA-moleculen al in staat zijn tot zelfkopiëring en het maken van functionele RNA’s, dan wordt de overgang van chemie naar biologie ineens minder onwaarschijnlijk. QT45 laat zien dat de grens tussen niet-levend en levend misschien minder scherp is dan we dachten. En daarmee raakt dit onderzoek aan een van de grootste vragen van allemaal: was het ontstaan van leven een kosmisch toeval of een bijna onvermijdelijke uitkomst van de juiste chemie?

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook RNA blijkt ook buiten de cel actief: nieuwe schakel in ons immuunsysteem en Hoe is het mogelijk? Bouwstenen van leven ontdekt op ijzige asteroïde Bennu. Of lees dit artikel: Een nieuwe mogelijkheid voor het ontstaan van leven op Aarde: de ingrediënten vielen letterlijk uit de lucht.

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: