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

Stel je een tijd voor vóór computers, vóór DNA, en zelfs vóór de eerste cel. Wetenschappers hebben een wild idee genaamd de "RNA-wereld", die suggereert dat het leven begon met één enkel, magisch molecuul: RNA. In tegen afdan de DNA in je lichaam, die grotendeels een passieve bibliothecaris is die instructies opslaat, was dit oeroude RNA een veelzijdige superheld. Het kon niet alleen informatie vasthouden, maar ook fungeren als een kleine machine, of "ribozym", om kopieën van zichzelf te bouwen met behulp van losse bouwstenen die nucleotiden worden genoemd. Als we een ribozym zouden kunnen creëren dat in staat is zichzelf echt te kopiëren in een laboratorium, zou dat een enorme aanwijzing zijn voor hoe het leven begon. De grote uitdaging? Wetenschappers proberen deze zelfkopende machines al jaren te bouwen, maar ze hebben gewerkt met een blinddoek op. Ze hebben deze moleculen geëvolueerd door middel van vallen en opstaan, maar zonder een 3D-beeld van hoe ze er werkelijk uitzien, is het alsof je een complex horloge probeert te repareren zonder ooit de tandwielen binnenin te zien.

Dit is precies het puzzelstuk waar een team van onderzoekers zich in een nieuwe studie op heeft gericht. Ze concentreerden zich op een specif Kind, supergeavanceerd ribozym genaamd tC19Z, dat is ontworpen om te fungeren als een polymerase — een machine die nucleotiden aan elkaar rijgt om nieuw RNA te maken. Lange tijd wisten wetenschappers dat deze machine werkte, maar ze wisten niet hoe deze werkte omdat ze de vorm ervan niet konden zien. In dit artikel gebruikte het team een hightech camera genaamd cryo-EM om een verbluffend heldere 3D-foto van het ribozym te maken met een resolutie van 3,1 [Å]. Deze afbeelding onthulde de geheime architectuur van de machine. Ze ontdekten dat het ribozym eigenlijk een slim Frankenstein-monster is: het is een oude "ligase" (een lijmachtig enzym) die is geüpgraded met een gloednieuw accessoire-domein gemaakt van willekeurige sequenties. Dit nieuwe deel fungeert als een ondersteunende arm, die de oude machine vastgrijpt via een lus-lus-handdruk, een naad van magnesiumionen en een stapel van zes basen. Het herbouwt zelfs de "greep" van de machine voor het vasthouden van zijn onderdelen met behulp van volledig andere ingrediënten dan het origineel.

De meest opwindende ontdekking is echter een verborgen struikelblok in het ontwerp. De onderzoekers ontdekten een "spookhanddruk" — een koppeling tussen twee delen van het ribozym die plaatsvindt nog voordat het begint te werken. Deze handdruk grijpt het 5'-uiteinde van het molecuul, dat vrij zou moeten zijn om de mal (template) te grijpen die het nodig heeft om te kopiëren. Het is als een bouwvakker die per ongeluk zijn eigen veters aan elkaar knoopt voordat hij zijn gereedschap kan oppakken; de machine is klaar om te werken, maar zit vast in zijn eigen knopen. Het artikel suggereert dat deze accidentele knoop de machine vertraagt. Om dit te bewijzen, speelden de wetenschappers een spelletief "stoelendans" met de genetische code, waarbij ze specifieke mutaties introduceerden in zowel het ribozym als de mal om deze ongewenste handdruk te verbreken. Het resultaat? De machine begon sneller te werken. Hoewel dit niet betekent dat we al een volledig zelfreplicerende levensvorm hebben, suggereren deze bevindingen dat als we het proces van het in kaart brengen van deze 3D-structuren kunnen versnellen, we deze moleculaire machines in staat kunnen stellen om zichzelf veel efficiënter te kopiëren, waardoor we een stap dichter bij het begrijpen van de allereerste vonk van het leven komen.