RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

Het leven zoals wij dat kennen is gebouwd op een partnerschap tussen twee zeer verschillende soorten moleculen. Het ene type, de nucleïnezuren, fungeert als de bibliotheek van het leven en slaat de instructies op voor het bouwen van de rest. Het andere type, de eiwitten, fungeert als de werkkracht en voert de chemische taken uit die een cel in leven en laten groeien. Decennialang hebben wetenschappers gepuzzeld over hoe dit partnerschap is begonnen. Het heersende idee, bekend als de RNA-wereldhypothese, suggereert dat het leven begon met slechts één van deze spelers: RNA, dat zowel informatie kon opslaan als enige chemische arbeid kon verrichten. Deze visie worstelt echter met de vraag hoe zo's een enkel molecuul beide rollen goed genoeg kon vervullen om een afstammeling te starten die overleeft en evolueert. Een andere mogelijkheid is dat eiwitten eerst kwamen, maar zij missen het vermogen om zichzelf betrouwbaar te kopiëren. De centrale vraag blijft: hoe hebben deze twee verschillende systemen de krachten gebundeld om de eerste levende cellen te creëren?

Twee onderzoekers aan de Stony Brook University, Mohamed Swailem en Ken A. Dill, hebben een nieuwe manier voorgesteld om over dit ontstaansverhaal na te denken. In plaats van te vragen welk molecuul eerst kwam, vragen zij zich af hoe de twee elkaar vanaf het begin hadden kunnen helpen overleven. Hun werk suggereert dat de sleutel niet lag in de perfectie van elk individueel molecuul, maar in een taakverdeling die hen in staat stelde elkaar tot bestaan te brengen. Door de sterktes van beiden te combineren, stellen zij dat het leven had kunnen ontstaan, zelfs als de afzonderlijke onderdelen verre van perfect waren.

Om hun redenering te begrijpen, helpt het om te kijken naar hoe evolutie werkt als een proces van vallen en opstaan. Stel je een populatie eenvoudige, zelfreplicerende moleculen voor. Af en toe vindt er een fout plaats tijdens het kopiëren, waardoor een nieuwe versie ontstaat. Als deze nieuwe versie beter is in overleven of in het maken van kopieën, zal deze gebruikelijker worden, terwijl de zwakkere versies verdwijnen. Dit is de motor van natuurlijke selectie. Maar voor deze motor moet er twee verschillende dingen gebeuren: een manier om willekeurige veranderingen te genereren (de proef) en een manier om te testen welke veranderingen beter zijn (de fout). De onderzoekers stellen dat de twee soorten moleculen in onze cellen perfect geschikt zijn voor deze afzonderlijke taken.

Nucleïnezuren, zoals DNA en RNA, zijn stijf en stabiel. Hun structuur stelt hen in staat om informatie op te slaan zonder gemakkelijk door hun omgeving te worden beïnvloed. Ze zijn uitstekend in het zijn van een blauwdruk, waarbij ze instructies dragen zonder deze te veranderen. Ze zijn echter niet erg goed in het verrichten van chemisch werk. Eiwitten daarentegen zijn flexibel en divers. Ze vouwen zich in complexe vormen die hen in staat stellen om als gereedschap te fungeren, reacties te versnellen en structuren te bouwen. Maar eiwitten zijn slecht in het opslaan van informatie; ze zijn moeilijk nauwkeurig te lezen en te kopiëren. In de visie van de onderzoekers had de evolutie een systeem nodig waarin de "blauwdruk" willekeurig zonder vooroordelen kon worden gewijzigd, terwijl de "gereedschappen" getest konden worden op hun vermogen om het systeem te laten groeien.

De auteurs bouwden een computermodel om te testen wat er gebeurt wanneer deze twee moleculen met elkaar interageren. Ze begonnen met een scenario waarin geen van beide moleculen erg goed was in zijn taak. De nucleïnezuren waren niet erg nauwkeurig bij het kopiëren van zichzelf, en de eiwitten waren niet erg goed in het helpen bij dat kopiëren. In een wereld waar deze moleculen alleen zouden optreden, zouden ze simpelweg wegkwijnen. Het model toonde aan dat, zonder hulp, de populatie van deze moleculen zou krimpen totdat ze verdwenen, niet in staat om de snelheid waarmee ze afbraken of verwaterden te overwinnen.

Echter, toen de onderzoekers de twee moleculen lieten samenwerken, veranderde de uitkomst drastisch. In hun model hielpen de eiwitten de nucleïnezuren om zichzelf effectiever te kopiëren, terwijl de nucleïnezuren de instructies leverden om de eiwitten te maken. Dit creëerde een feedbackloop. Zelfs als het kopiëren onnauwkeurig was en de eiwitten slechts matig behulpzaam waren, maakte de combinatie het systeem in staat om te groeien. De onderzoekers ontdekten dat de twee moleculen elkaar konden redden. Een nucleïnezuur dat niet erg goed was in het kopiëren, kon overleven als het gekoppeld was aan een eiwit dat zeer goed was in het helpen. Omgekeerd kon een eiwit dat niet zeer efficiënt was, voortbestaan als het gekoppeld was aan een nucleïnezuur dat zeer nauwkeurig was.

Deze relatie is wat de onderzoekers een "Pareto-front" noemen, een concept dat een situatie beschrijft waarin je de ene voordeel kunt inruilen voor een andere. In hun simulaties vonden zij een duidelijke grens tussen een wereld waarin de moleculen uitsterven en een wereld waarin zij gedijen. Aan de ene kant van deze lijn zijn de moleculen te zwak om te overleven. Aan de andere kant vormen zij een coöperatieve eenheid die groeit en voortbestaat. De meest opvallende bevinding is dat deze transitie niet vereist dat beide moleculen perfect zijn. Het vereist alleen dat ze samen goed genoeg zijn. Het model laat zien dat een systeem met zwakke nucleïnezuren en sterke eiwitten even goed kan overleven als een systeem met sterke nucleïnezuren en zwakke eiwitten, zolang ze maar verbonden zijn.

De onderzoekers keken ook naar hoe lang deze systemen konden voortbestaan. Ze ontdekten dat een enkel molecuul, dat alleen optreedt, een zeer kort leven heeft. Het degradeert snel, en zonder een manier om zichzelf nauwkeurig te kopiëren, eindigt zijn afstammeling bijna onmiddellijk. Maar wanneer de twee moleculen hun krachten bundelen, krijgt het gehele systeem een veel langer leven. De afstammeling van deze coöperatieve eenheden kan lange tijd voortbestaan, veel langer dan welk enkel molecuul dan ook op zichzelf zou kunnen overleven. Deze persistentie is wat de onderzoekers identificeren als het ware begin van het leven: de verschuiving van kortlevende chemische reacties naar langlevende afstammelingen die kunnen evolueren.

Dit model daagt het idee uit dat het leven moet zijn begonnen met een enkel, perfect molecuul dat alles kon doen. In plaats daarvan suggereert het dat het leven begon met een partnerschap. De onderzoekers betogen dat de overgang van chemie naar biologie geen plotselinge sprong naar perfectie was, maar een geleidelijk proces waarbij twee imperfecte systemen leerden om op elkaar te vertrouwen. De eiwitten boden de functionele fitheid, die hielp het systeem te laten groeien en aanpassen, terwijl de nucleïnezuren de erfelijkheid boden, waardoor de succesvolle combinaties werden doorgegeven.

De auteurs merken er voorzichtig bij op dat hun werk een simulatie is, een wiskundige verkenning van hoe deze dynamiek zou kunnen werken. Zij beweren niet de exacte historische gebeurtenis te hebben ontdekt die het leven startte, maar eerder een plausibele fysieke mechanisme te hebben aangetoond dat de oorsprong van het leven waarschijnlijker maakt. Hun model demonstreert dat het "Eigen-paradox"—het idee dat je goede eiwitten nodig hebt om goede nucleïnezuren te maken en goede nucleïnezuren om goede eiwitten te maken, wat een cirkelredenering creëert—opgelost kan worden door samenwerking. Door de last te delen, kunnen de twee moleculen de beperkingen overwinnen die een van hen alleen zouden stoppen.

Uiteindelijk biedt het artikel een ingetogen maar krachtig inzicht: de oorsprong van het leven ging misschien niet over het vinden van een enkel, miraculeus molecuul. Het ging misschien over twee verschillende soorten moleculen die een manier vonden om aan elkaar vast te blijven zitten. De een bood het geheugen, de ander de spierkracht. Samen creëerden zij een systeem dat groter was dan de som der delen, waardoor de eerste afstammelingen lang genoeg konden voortbestaan om te evolueren tot het complexe leven dat we vandaag de dag zien. De onderzoekers concluderen dat deze taakverdeling, waarbij het ene molecuul het plan bewaart en het andere de machine bouwt, niet alleen een kenmerk is van het moderne leven, maar het fundament zelf dat het leven mogelijk maakte.