‘Several questions about origin of life have been answered, but much remains to be studied’’ said Stanley Miller and Harold Urey way back in 1959 after reporting laboratory synthesis of amino acids in primitive earth conditions. Many advances down the line yet the scientists have long been grappling with a fundamental question – which genetic material was first to be formed on the primitive earth, DNA or RNA, or a bit of both? There is evidence now to suggest that DNA og RNA both may have co-existed in the primordial soup from where the life forms may have evolved with respective genetic materials.
Det sentrale dogmet innen molekylærbiologi sier det DNA gjør RNA gjør proteiner. Proteiner are responsible for majority, if not all the reactions taking place in an organism. The entire functionality of an organism is majorly dependent upon their presence and interaction of protein molecules. According to central dogma, proteiner are produced by the information contained in DNA which is converted to functional protein via a messenger called RNA. However, it is possible that proteiner themselves can survive independently without any DNA or RNA, as is the case with prions (misfolded protein molecules that do not contain DNA or RNA), but can survive on their own.
Dermed kan det være tre scenarier for livets opprinnelse.
A) If the proteiner or its building blocks were able to form abiotically during the atmosphere that existed billions of years ago in primordial soup, proteiner can be termed as the basis of livets opprinnelse. De eksperimentelle bevisene i dens favør kommer fra det berømte eksperimentet av Stanley Miller1, 2, som viste at når en blanding av metan, ammoniakk, vann og hydrogen blandes sammen og sirkuleres forbi en elektrisk utladning, dannes det en blanding av aminosyrer. Dette ble igjen bekreftet syv år senere3 in 1959 by Stanley Miller and Harold Urey stating that the presence of reducing atmosphere in primordial earth gave rise to synthesis of organisk compounds in the presence of above-mentioned gases plus smaller amounts of carbon monoxide and carbon dioxide. The relevance of Miller-Urey experiments was questioned by the scientific fraternity for a number of years, who thought that the gas mixture used in their research was too reducing with respect to the conditions that existed on primordial Earth. A number of theories pointed towards a neutral atmosphere containing an excess of CO2 with N2 and water vapor4. Imidlertid har en nøytral atmosfære også blitt identifisert som et plausibelt miljø for syntese av aminosyrer5. I tillegg for proteiner to act as origins of life, they need to self-replicating leading to a combination of different proteiner to cater to different reactions taking place in an organism.
B) Dersom ursuppen ga betingelser for byggeklosser av DNA og / eller RNA to be formed, then either of these could have been the genetic material. The research until now favoured RNA to be the genetic material for the origin of life forms due to their capability of folding upon itself, existing as a single strand and acting as an enzyme6, capable of making more RNA molecules. A number of self-replicating RNA enzymes7 have been discovered over the years suggesting RNA to be the starting genetic material. This was further strengthened by the research performed by John Sutherland’s group that led to the formation of two bases of RNA in an environment similar to primordial soup by including phosphate in the mixture8. Dannelse av RNA-byggesteiner har også blitt vist ved å simulere en reduserende atmosfære (som inneholder ammoniakk, karbonmonoksid og vann), lik en som ble brukt i Miller-Ureys eksperiment og deretter sende elektriske utladninger og høyeffektlasere gjennom dem9. If RNA is to be believed to be the originator, then when and how did DNA and proteins come into being? Did DNA develop as a genetic material later because of the unstable nature of RNA and proteins followed suit. Answers to all these questions still remain unanswered.
C) Det tredje scenariet om at DNA og RNA kan eksistere sammen i ursuppen som førte til livets opprinnelse, kom fra studier publisert 3.rd June 2020 by John Sutherland’s group from the MRC Laboratory at Cambridge, UK. The researchers simulated the conditions that existed on a primordial Earth billions of years ago, with shallow ponds in the lab. They first dissolved chemicals that form RNA in water, followed by drying and heating them and then subjecting them to UV radiation that simulated sun’s rays existing in primordial time. This not only led to the synthesis of the two building blocks of RNA men også av DNA, suggesting that both nucleic acids co-existed at the time of origin of life10.
Basert på den moderne kunnskapen som eksisterer i dag og ære det sentrale dogmet innen molekylærbiologi, virker det plausibelt at DNA og RNA eksisterte sammen som førte til livets opprinnelse og proteindannelse kom/oppstod senere.
Forfatteren ønsker imidlertid å spekulere i et annet scenario hvor alle de tre viktige biologiske makromolekylene, dvs. DNA, RNA og protein eksisterte sammen i ursuppen. De rotete forholdene som eksisterte i ursuppen som involverte den kjemiske naturen til jordoverflaten, vulkanutbrudd og tilstedeværelse av gasser som ammoniakk, metan, karbonmonoksid, karbondioksid sammen med vann kan ha vært ideelle for alle makromolekyler som skal dannes. Et hint om dette er gitt av forskning utført av Ferus et al., der nukleobaser ble dannet i den samme reduserende atmosfæren9 brukt i Miller-Ureys eksperiment. Hvis vi skal tro på denne hypotesen, så adopterte forskjellige organismer i løpet av evolusjonen det ene eller det andre genetiske materialet, som favoriserte deres eksistens fremover.
Men når vi prøver å forstå opprinnelsen til livsformer, kreves det mye mer forskning for å svare på de grunnleggende og relevante spørsmålene om hvordan livet oppsto og forplantet seg. Dette ville kreve en "out-of-the-box" tilnærming uten å stole på noen fordommer introdusert i vår tenkning av dagens dogmer som følges i vitenskapen.
***
Referanser:
1. Miller S., 1953. En produksjon av aminosyrer under mulige primitive jordforhold. Vitenskap. 15. mai 1953: Vol. 117, utgave 3046, s. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al. 2003. Prebiotisk suppe – Revisiting the Miller Experiment. Vitenskap 02. mai 2003: Vol. 300, utgave 5620, s. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL og Urey HC, 1959. Syntese av organiske forbindelser på den primitive jorden. Vitenskap 31. juli 1959: Vol. 130, utgave 3370, s. 245-251. GJØR JEG: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Atmosfærisk sammensetning og klima på den tidlige jorden. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Publisert: 07. september 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. En revurdering av prebiotisk organisk syntese i nøytrale planetariske atmosfærer. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). GJØR JEG: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. The intervening sequence RNA of Tetrahymena is an enzyme. Science 31 Jan 1986: Vol. 231, Issue 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al. 2011. Ribozyme-katalysert transkripsjon av et aktivt ribozym. Science 08. april: Vol. 332, utgave 6026, s. 209-212 (2011). GJØR JEG: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Syntese av aktiverte pyrimidinribonukleotider under prebiotisk plausible forhold. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Dannelse av nukleobaser i en Miller-Urey-reduserende atmosfære. PNAS 25. april 2017 114 (17) 4306-4311; først publisert 10. april 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). Published: 03 June 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
