Neue Beweise für eine „RNA-Welt“

Charles Darwin beschrieb die Evolution als „Abstieg mit Modifikation“. Genetische Informationen in Form von DNA-Sequenzen werden kopiert und von einer Generation zur nächsten weitergegeben. Allerdings muss dieser Prozess auch einigermaßen flexibel sein, damit im Laufe der Zeit leichte genetische Variationen entstehen und neue Merkmale in die Population eingeführt werden können.

Aber wie hat alles angefangen? Hätte bei der Entstehung des Lebens, lange vor Zellen, Proteinen und DNA, eine ähnliche Entwicklung in einem einfacheren Maßstab stattgefunden? In den 1960er Jahren schlugen Wissenschaftler, darunter Salk Fellow Leslie Orgel, vor, dass das Leben mit der „RNA-Welt“ begann, einer hypothetischen Ära, in der kleine, fadenförmige RNA-Moleküle die frühe Erde beherrschten und die Dynamik der darwinistischen Evolution begründeten.

Neue Forschungen am Salk Institute liefern nun neue Einblicke in die Ursprünge des Lebens und liefern überzeugende Beweise, die die RNA-Welthypothese stützen. Die Studie, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) enthüllt ein RNA-Enzym, das in der Lage ist, präzise Kopien anderer funktioneller RNA-Stränge zu erstellen und gleichzeitig die Entstehung neuer Varianten des Moleküls im Laufe der Zeit zu ermöglichen. Diese bemerkenswerten Fähigkeiten legen nahe, dass die frühesten Formen der Evolution möglicherweise auf molekularer Ebene in der RNA stattgefunden haben.

Die Ergebnisse bringen Wissenschaftler auch der Wiederherstellung von RNA-basiertem Leben im Labor näher. Durch die Modellierung dieser primitiven Umgebungen im Labor können Wissenschaftler Hypothesen darüber, wie das Leben auf der Erde oder sogar auf anderen Planeten entstanden sein könnte, direkt testen.

„Wir verfolgen den Beginn der Evolution“, sagt Gerald Joyce, Hauptautor und Salk-Präsident. „Indem wir diese neuen Fähigkeiten der RNA aufdecken, decken wir die potenziellen Ursprünge des Lebens selbst auf und zeigen, wie einfache Moleküle den Weg für die Komplexität und Vielfalt des Lebens, die wir heute sehen, hätten ebnen können.“

Wissenschaftler können mithilfe von DNA die Evolutionsgeschichte von modernen Pflanzen und Tieren bis zu den ersten einzelligen Organismen verfolgen. Doch was dem vorausging, bleibt unklar. Doppelsträngige DNA-Helices eignen sich ideal zur Speicherung genetischer Informationen. Viele dieser Gene kodieren für Proteine, komplexe molekulare Maschinen, die alle möglichen Funktionen erfüllen, um Zellen am Leben zu erhalten.

Das Besondere an RNA ist, dass diese Moleküle beides können. Sie bestehen aus verlängerten Nukleotidsequenzen, ähnlich wie DNA, können aber auch als Enzyme fungieren, um Reaktionen zu erleichtern, ähnlich wie Proteine. Ist es also möglich, dass RNA als Vorläufer des Lebens, wie wir es kennen, diente?

Wissenschaftler wie Joyce erforschen diese Idee seit Jahren und konzentrieren sich dabei insbesondere auf RNA-Polymerase-Ribozyme, RNA-Moleküle, die Kopien anderer RNA-Stränge erstellen können.

Im letzten Jahrzehnt haben Joyce und sein Team im Labor RNA-Polymerase-Ribozyme gezüchtet und dabei eine Form der gerichteten Evolution genutzt, um neue Versionen zu produzieren, die in der Lage sind, größere Moleküle zu replizieren. Die meisten haben jedoch einen schwerwiegenden Fehler: Sie sind nicht in der Lage, Sequenzen mit ausreichend hoher Präzision zu kopieren. Über viele Generationen hinweg werden so viele Fehler in die Sequenz eingebaut, dass die resultierenden RNA-Stränge nicht mehr der ursprünglichen Sequenz ähneln und ihre Funktion vollständig verloren haben.

Bis jetzt. Das neueste im Labor entwickelte RNA-Polymerase-Ribozym enthält eine Reihe entscheidender Mutationen, die es ihm ermöglichen, einen RNA-Strang mit viel höherer Präzision zu kopieren.

In diesen Experimenten ist der kopierte RNA-Strang ein „Hammer“, ein kleines Molekül, das andere RNA-Moleküle in Stücke schneidet. Die Forscher waren überrascht, als sie herausfanden, dass die Ribozym-RNA-Polymerase nicht nur funktionelle Hammerhaie genau nachbildete, sondern im Laufe der Zeit auch neue Variationen von Hammerhaien auftauchten.

Diese neuen Varianten funktionierten ähnlich, aber ihre Mutationen machten sie leichter zu reproduzieren, was ihre evolutionäre Fitness steigerte und dazu führte, dass sie schließlich die Hammerhai-Population des Labors dominierten.

„Wir haben uns lange gefragt, wie einfach das Leben in seinen Anfängen war und als es die Fähigkeit erlangte, sich zu verbessern“, sagt Erstautor Nikolaos Papastavrou, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Joyces Labor.

„Diese Studie legt nahe, dass der Beginn der Evolution sehr früh und sehr einfach gewesen sein könnte. Etwas auf der Ebene einzelner Moleküle könnte die darwinistische Evolution unterstützt haben, und das könnte der Funke gewesen sein, der es dem Leben ermöglicht hat, komplexer zu werden, von Molekülen zu Zellen zu Zellen. Mehrzellige Organismen.

Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Bedeutung der Replikationstreue für die Ermöglichung der Evolution. Die Kopiergenauigkeit der RNA-Polymerase muss einen kritischen Schwellenwert überschreiten, um Erbinformationen über mehrere Generationen hinweg beizubehalten. Dieser Schwellenwert wäre mit zunehmender Größe und Komplexität der sich entwickelnden RNAs gestiegen.

Joyces Team stellt diesen Prozess in Laborreagenzgläsern nach und übt dabei einen zunehmenden selektiven Druck auf das System aus, um leistungsstärkere Polymerasen zu produzieren, mit dem Ziel, eines Tages eine replikationsfähige RNA-Polymerase zu produzieren. Dies würde den Beginn des autonomen Lebens der RNA im Labor markieren, das nach Ansicht der Forscher innerhalb des nächsten Jahrzehnts erreicht werden könnte.

Wissenschaftler sind auch daran interessiert, was passieren könnte, wenn diese Mini-„RNA-Welt“ mehr Autonomie erlangt.

„Wir haben gesehen, dass Selektionsdruck RNAs mit einer bestehenden Funktion verbessern kann, aber wenn wir das System mit größeren Populationen von RNA-Molekülen länger entwickeln lassen, können dann neue Funktionen erfunden werden?“ sagt Co-Autor David Horning, ein Wissenschaftler in Joyces Labor. „Wir freuen uns darauf, uns mit der Frage zu befassen, wie die frühe Kindheit ihre eigene Komplexität erhöhen kann, indem wir die hier bei Salk entwickelten Tools nutzen.“

Die in Joyces Labor verwendeten Methoden ebnen auch den Weg für zukünftige Experimente, die andere Ideen über den Ursprung des Lebens testen, einschließlich der Frage, welche Umweltbedingungen die Entwicklung von RNA sowohl auf der Erde als auch auf anderen Planeten am besten unterstützt haben könnten.