WERBUNG

Molekularer Ursprung des Lebens: Was ist zuerst entstanden – Protein, DNA oder RNA oder eine Kombination daraus?

WISSENSCHAFTENBIOLOGIEMolekularer Ursprung des Lebens: Was ist zuerst entstanden – Protein, DNA oder RNA oder eine Kombination daraus?

"Mehrere Fragen zum Ursprung des Lebens wurden beantwortet, aber vieles bleibt noch zu untersuchen", sagten Stanley Miller und Harold Urey bereits 1959, nachdem sie über die Laborsynthese von Aminosäuren unter primitiven Erdbedingungen berichtet hatten. Viele Fortschritte auf der ganzen Linie, aber die Wissenschaftler beschäftigen sich seit langem mit einer grundlegenden Frage: Welches genetische Material wurde zuerst auf der primitiven Erde gebildet, DNA oder RNA oder ein bisschen von beidem? Es gibt jetzt Hinweise darauf, dass DNA und RNA beide in der Ursuppe koexistiert haben könnten, aus der sich die Lebensformen mit dem entsprechenden genetischen Material entwickelt haben könnten.

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt, dass DNA macht RNA macht proteiny. Proteine ​​sind für die meisten, wenn nicht alle Reaktionen verantwortlich, die in einem Organismus ablaufen. Die gesamte Funktionalität eines Organismus hängt maßgeblich von deren Anwesenheit und Interaktion von Protein Moleküle. Nach zentralem Dogma werden Proteine ​​durch die darin enthaltenen Informationen produziert DNA das über einen Botenstoff namens RNA in ein funktionelles Protein umgewandelt wird. Es ist jedoch möglich, dass Proteine ​​​​selbst ohne DNA oder RNA überleben können, wie dies bei Prionen (fehlgefaltete Proteinmoleküle, die keine DNA oder RNA enthalten) der Fall ist, aber alleine überleben können.

Somit kann es drei Szenarien für die Entstehung des Lebens geben.

A) Konnten sich die Proteine ​​bzw. deren Bausteine ​​abiotisch während der Atmosphäre, die vor Milliarden von Jahren in Ursuppe existierte, bilden, so kann man Proteine ​​als Grundlage von Ursprung des Lebens. Die experimentellen Beweise dafür stammen aus dem berühmten Experiment von Stanley Miller1, 2, die zeigte, dass, wenn eine Mischung aus Methan, Ammoniak, Wasser und Wasserstoff vermischt und an einer elektrischen Entladung vorbeigeführt wird, eine Mischung von Aminosäuren gebildet wird. Dies wurde sieben Jahre später erneut bestätigt3 im Jahr 1959 von Stanley Miller und Harold Urey festgestellt, dass die Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre in Urerde zur Synthese organischer Verbindungen in Gegenwart der oben genannten Gase plus kleineren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid führte. Die Relevanz der Miller-Urey-Experimente wurde von der wissenschaftlichen Bruderschaft mehrere Jahre lang in Frage gestellt, da sie der Meinung war, dass das in ihren Forschungen verwendete Gasgemisch im Vergleich zu den Bedingungen auf der Urerde zu reduzierend sei. Eine Reihe von Theorien deutete auf eine neutrale Atmosphäre mit einem Überschuss an CO2 mit N2 und Wasserdampf hin4. Allerdings wurde auch eine neutrale Atmosphäre als plausible Umgebung für die Synthese von Aminosäuren identifiziert5. Damit Proteine ​​als Ursprünge des Lebens fungieren können, müssen sie sich außerdem selbst replizieren, was zu einer Kombination verschiedener Proteine ​​führt, um die unterschiedlichen Reaktionen, die in einem Organismus stattfinden, zu erfüllen.

B) Wenn die Ursuppe Bedingungen für Bausteine ​​von DNA und/oder RNA zu bilden, dann könnte eines von beiden das genetische Material gewesen sein. Die bisherige Forschung favorisierte RNA als genetisches Material für den Ursprung von Lebensformen aufgrund ihrer Fähigkeit, sich in sich selbst zu falten, als Einzelstrang zu existieren und als Enzym zu wirken6, in der Lage, mehr RNA-Moleküle herzustellen. Eine Reihe von selbstreplizierenden RNA-Enzymen7 wurden im Laufe der Jahre entdeckt, was darauf hindeutet, dass RNA das genetische Ausgangsmaterial ist. Dies wurde durch die Forschungen der Gruppe um John Sutherland weiter verstärkt, die zur Bildung von zwei RNA-Basen in einer Umgebung ähnlich der Ursuppe führte, indem Phosphat in die Mischung aufgenommen wurde8. Die Bildung von RNA-Bausteinen wurde auch durch Simulation einer reduzierenden Atmosphäre (enthaltend Ammoniak, Kohlenmonoxid und Wasser), ähnlich der in Miller-Ureys Experiment verwendeten, und anschließendes Durchleiten von elektrischen Entladungen und Hochleistungslasern gezeigt9. Wenn man annimmt, dass die RNA der Urheber ist, wann und wie sind dann DNA und Proteine ​​entstanden? Entwickelte sich DNA später als genetisches Material aufgrund der instabilen Natur der RNA und Proteine ​​folgten diesem Beispiel. Antworten auf all diese Fragen bleiben noch unbeantwortet.

C) Das dritte Szenario, dass DNA und RNA in der Ursuppe, die zum Ursprung des Lebens führte, koexistieren können, stammt aus Studien, die am 3 . veröffentlicht wurdenrd Juni 2020 von John Sutherlands Gruppe vom MRC Laboratory in Cambridge, Großbritannien. Die Forscher simulierten die Bedingungen, die vor Milliarden von Jahren auf einer Urerde herrschten, mit flachen Teichen im Labor. Sie lösten zuerst Chemikalien, die RNA in Wasser bilden, dann trockneten und erhitzten sie und setzten sie dann einer UV-Strahlung aus, die Sonnenstrahlen aus der Urzeit simulierte. Dies führte nicht nur zur Synthese der beiden Bausteine ​​der RNA, sondern auch der DNA, was darauf hindeutet, dass beide Nukleinsäuren zum Zeitpunkt der Entstehung des Lebens nebeneinander existierten10.

Basierend auf dem heutigen heutigen Wissen und in Würdigung des zentralen Dogmas der Molekularbiologie erscheint es plausibel, dass die DNA und RNA nebeneinander existierten, die zur Entstehung des Lebens und der Proteinbildung führte, später kam/auftrat.

Der Autor möchte jedoch ein anderes Szenario spekulieren, bei dem alle drei wichtigen biologischen Makromoleküle, nämlich. DNA, RNA und Protein existierten zusammen in der Ursuppe. Die chaotischen Bedingungen in der Ursuppe, die die chemische Beschaffenheit der Erdoberfläche, Vulkanausbrüche und das Vorhandensein von Gasen wie Ammoniak, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid zusammen mit Wasser beinhalteten, könnten ideal für die Bildung aller Makromoleküle gewesen sein. Einen Hinweis darauf lieferten Untersuchungen von Ferus et al., bei denen Nukleobasen in derselben reduzierenden Atmosphäre gebildet wurden9 in Miller-Ureys Experiment verwendet. Glaubt man dieser Hypothese, dann haben sich im Laufe der Evolution verschiedene Organismen das eine oder andere genetische Material angeeignet, das ihre Existenz begünstigt hat.

Wenn wir jedoch versuchen, den Ursprung von Lebensformen zu verstehen, ist noch viel weitere Forschung erforderlich, um die grundlegenden und relevanten Fragen zur Entstehung und Fortpflanzung von Leben zu beantworten. Dies würde einen „out-of-the-box“-Ansatz erfordern, ohne sich auf Vorurteile zu verlassen, die durch die aktuellen Dogmen der Wissenschaft in unser Denken eingeführt wurden.

***

References:

1. Miller S., 1953. Eine Produktion von Aminosäuren unter möglichen primitiven Erdbedingungen. Wissenschaft. 15. Mai 1953: Band. 117, Ausgabe 3046, S. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al. 2003. Präbiotische Suppe – das Miller-Experiment erneut besuchen. Wissenschaft 02. Mai 2003: Vol. 300, No. 5620, Ausgabe 745, S. 746-XNUMX DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL und Urey HC, 1959. Organische Verbindungssynthese auf der primitiven Erde. Wissenschaft 31. Juli 1959: Bd. 130, Ausgabe 3370, S. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Atmosphärische Zusammensetzung und Klima auf der frühen Erde. Philos Trans R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 361: 1733–1741 (2006). Veröffentlicht:07. September 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al. 2008. Eine Neubewertung der präbiotischen organischen Synthese in neutralen planetarischen Atmosphären. Orig Life Evol Biosph 38: 105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech. TR. 1986. Die intervenierende Sequenz-RNA von Tetrahymena ist ein Enzym. Wissenschaft 31: Vol. 1986, No. 231, Ausgabe 4737, S. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al. 2011. Ribozym-Catalyzed Transcription of an Active Ribozym. Wissenschaft 08. April: Vol. 332, No. 6026, Ausgabe 209, S. 212-2011 (XNUMX). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synthese von aktivierten Pyrimidin-Ribonukleotiden in präbiotisch plausiblen Bedingungen. Natur 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Bildung von Nukleobasen in einer reduzierenden Miller-Urey-Atmosphäre. PNAS 25. April 2017 114 (17) 4306-4311; Erstveröffentlichung 10. April 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selektive präbiotische Bildung von RNA-Pyrimidin- und DNA-Purin-Nukleosiden. Natur 582, 60–66 (2020). Veröffentlicht: 03. Juni 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***

Rajeev Soni
Rajeev Sonihttps://www.RajeevSoni.org/
Dr. Rajeev Soni (ORCID ID: 0000-0001-7126-5864) hat einen Ph.D. in Biotechnologie von der University of Cambridge, UK, und verfügt über 25 Jahre Erfahrung in der weltweiten Arbeit in verschiedenen Instituten und multinationalen Unternehmen wie The Scripps Research Institute, Novartis, Novozymes, Ranbaxy, Biocon, Biomerieux und als leitender Forscher im US Naval Research Lab in der Wirkstoffforschung, Molekulardiagnostik, Proteinexpression, biologischen Herstellung und Geschäftsentwicklung.

ABONNIEREN SIE UNSEREN NEWSLETTER

Aktualisierung mit den neuesten Nachrichten, Angeboten und Sonderankündigungen.

- Werbung -

Beliebteste Artikel

Erste erfolgreiche Transplantation eines Herzens eines gentechnisch veränderten (GM) Schweins in einen Menschen

Ärzte und Wissenschaftler der University of Maryland School of...

Ein neues Medikament, das verhindert, dass Malaria-Parasiten Mücken infizieren

Es wurden Verbindungen identifiziert, die Malariaparasiten verhindern könnten ...

Flugzeug mit 'Ionenwind'-Antrieb: Ein Flugzeug ohne bewegliche Teile

Es wurde ein Flugzeug entwickelt, das nicht abhängig ist von...
- Werbung -
99,750FansLike
69,697VerfolgerFolgen
6,319VerfolgerFolgen
31AbonnentenAbonnieren