Cryo-EM of a nucleotide-polymerizing ribozyme enables its predictive improvement

Stellen Sie sich eine Zeit vor Computern vor, vor der DNA und sogar vor der ersten Zelle. Wissenschaftler haben eine wilde Idee namens „RNA-Welt“, die besagt, dass das Leben mit einem einzigen, magischen Molekül begann: RNA. Im Gegensatz zur DNA in Ihrem Körper, die hauptsächlich ein passiver Bibliothekar ist, der Anweisungen speichert, war diese urzeitliche RNA ein multitaskingfähiger Superheld. Sie konnte nicht nur Informationen speichern, sondern auch wie eine winzige Maschine, ein „Ribozym“, agieren, um sich selbst mithilfe loser Bausteine namens Nukleotide nachzubauen. Wenn wir in einem Labor ein Ribozym erschaffen könnten, das sich wirklich selbst kopieren kann, wäre dies ein riesiger Hinweis darauf, wie das Leben begann. Die große Herausforderung? Wissenschaftler versuchen seit Jahren, diese selbstkopierenden Maschinen zu bauen, aber sie haben blind gearbeitet. Sie haben diese Moleküle durch Versuch und Irrtum entwickelt, aber ohne ein 3D-Bild davon, wie sie tatsächlich aussehen, ist es so, als würde man versuchen, eine komplexe Uhr zu reparieren, ohne jemals das Innenleben der Zahnräder gesehen zu haben.

Genau dieses Rätsel hat ein Forscherteam in einer neuen Studie angegangen. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches, hochmodernes Ribozym namens tC19Z, das darauf ausgelegt ist, als Polymerase zu fungieren – eine Maschine, die Nukleotide aneinanderreiht, um neue RNA herzustellen. Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass diese Maschine funktionierte, aber sie wussten nicht, wie sie funktionierte, weil sie ihre Form nicht sehen konnten. In dieser Arbeit nutzte das Team eine hochtechnologische Kamera namens Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM), um ein atemberaubend klares 3D-Foto des Ribozyms bei einer Auflösung von 3,1 [Å] zu machen. Dieses Bild enthüllte die geheime Architektur der Maschine. Sie fanden heraus, dass das Ribozym eigentlich ein kluges Frankenstein-Monster ist: Es ist eine alte „Ligase“ (ein kleberartiges Enzym), die mit einer brandneuen Akzessoriedomäne aus zufälligen Sequenzen aufgerüstet wurde. Dieser neue Teil fungiert wie ein stützender Arm, der die alte Maschine durch einen Loop-Loop-Handschlag, eine Naht aus Magnesiumionen und einen Stapel aus sechs Basen greift. Er baut sogar den „Griff“ der Maschine zum Halten ihrer Teile unter Verwendung völlig anderer Zutaten als das Original wieder auf.

Die aufregendste Entdeckung ist jedoch ein versteckter Haken im Design. Die Forscher entdeckten einen „Geisterhandschlag“ – eine Paarung zwischen zwei Teilen des Ribozyms, die bereits stattfindet, bevor es mit der Arbeit beginnt. Dieser Handschlag greift das 5'-Ende des Moleküls, das eigentlich frei sein sollte, um die Vorlage zu greifen, die es kopieren muss. Es ist wie ein Bauarbeiter, der sich versehentlich die eigenen Schnürsenkel zusammenbindet, bevor er seine Werkzeuge aufnehmen kann; die Maschine ist bereit zu arbeiten, aber sie ist in ihren eigenen Knoten gefangen. Die Arbeit legt nahe, dass dieser versehentliche Knoten die Maschine verlangsamt. Um dies zu beweisen, spielten die Wissenschaftler ein „Stuhlkreis“-Spiel mit dem genetischen Code, indem sie spezifische Mutationen sowohl am Ribozym als auch an der Vorlage einführten, um diesen unerwünschten Handschlag zu brechen. Das Ergebnis? Die Maschine arbeitete schneller. Obwohl dies nicht bedeutet, dass wir bereits eine vollständig selbstreplizierende Lebensform haben, legen diese Erkenntnisse nahe, dass wir, wenn wir den Prozess der Bestimmung dieser 3D-Strukturen beschleunigen können, diese molekularen Maschinen so konstruieren könnten, dass sie sich selbst viel effizienter kopieren – was uns einen Schritt näher zum Verständnis des allerersten Funkens des Lebens bringt.