- DNA: Deoxy-ribo Nucleic Acid (bevat deoxy-ribose in de backbone)
Dit is de huidige universele standaard voor informatie opslag in het leven op aarde - RNA: Ribo Nucleic Acid (deoxy-ribose is vervangen door ribose)
Dit is de huidige standaard voor duizend nuttige andere taken! Zie ook [7] - pRNA: pyranosyl-RNA (kan niet met RNA paren?)
"the pyranosyl isomer of RNA (p-RNA), exhibits Watson-Crick pairing that is far stronger than that in RNA" [2]. - TNA: Threose Nucleic Acid (-ribose vervangen door threose, tetrose)
Tetrose sugars with their four-carbon ring structure could be more readily synthesized in a prebiotic world than the pentose sugars of DNA and RNA because they can be assembled directly from two identical two-carbon fragment [1]. "It was possible to match the geometry of the analog to that of RNA" [1] - PNA: Peptide Nucleic Acid (-ribose vervangen door N-(2-aminoethyl)-glycine) [4][5]
"It has been hypothesized that the earliest life on Earth may have used PNA as a genetic material due to its extreme robustness, simpler formation and possible spontaneous polymerization at 100°C" (wiki) - GNA: Glycol Nucleic Acid (-ribose vervangen door glycerol)
"Interestingly, the Watson-Crick base pairing is much more stable in GNA than its natural counterparts DNA and RNA as it requires a high temperature to melt a duplex of GNA. It is possibly the simplest of the nucleic acids, so making it a hypothetical precursor to RNA". (wiki). "GNA is structurally the most simplified solution for a phosphodiester-containing nucleic acid backbone and thus constitutes a promising candidate for initial genetic molecules of life. Unique combination of high duplex stability, base pairing fidelity, and easy synthetic access of its nucleotides" (Duplex Structure of a Minimal Nucleic Acid), (A Simple Glycol Nucleic Acid) [15 Feb] - HNA: hexitol nucleic acid
hexitol is een 6-ring i.t.t. ribose dat een 5-ring suiker is. Alternatieve backbone: suiker vervangen door hexitol. HNA duplexes are even more stable. Normal Watson−Crick base pairing, similar base stacking patterns - As-DNA: DNA waar fosfaat is vervangen door Arseen! Dit is erg controversieel en onbewezen! Zie een paar oude blogs: [3] Maar is erg nuttig om flexibel te blijven denken.
Merk op dat steeds de -ribose, of in ieder geval iets in de backbone, is vervangen. Ribose is onderdeel van de 'backbone' (ruggegraat) die de bases (A,T,C,G) in het DNA verbinden. De basevolgorde (niet de bases zelf) is de genetische code die de informatie bevat voor de aanmaak van eiwitten. Wanneer je iets in de backbone vervangt, tast je niet de genetische informatie aan. Dus: waarom zou je de backbone niet mogen wijzigen? Dat mag wel. Je kunt het proberen en kijken wat er gebeurt.
Alternatieven scheppen keuzevrijheid
Juist omdat er chemische alternatieven voor DNA bestaan, ontstaat de vraag: Waarom DNA? Waarom heeft het leven DNA gekozen? Omdat er toen (bij het ontstaan van het leven) niets anders voorhanden was? Maar als de alternatieven TNA, PNA, GNA spontaan op de prebiotische aarde gesynthetiseerd konden worden, dan waren er wel degelijk alternatieven, en waarom zijn die dan niet gebruikt? Of zijn ze wel gebruikt maar hebben ze geen sporen achtergelaten? Is DNA de winnaar van vele andere erfelijkheidsmoleculen?
Eisen aan levensvatbare alternatieven voor DNA
- moeten als backbone voor de 4 bases kunnen dienen
- moeten dubbele helix kunnen vormen met bases in het midden
- moeten zichzelf kunnen repliceren
- moeten makkelijker dan RNA pre-biotisch gesynthetiseerd kunnen worden
- moeten kunnen paren met RNA om als overgangsfase te kunnen dienen naar een DNA wereld (compatibiliteits eis)
TNA voldoet aan eis 1, 3, 4, 5. Eis 2 waarschijnlijk ook, maar weet ik niet zeker. Eis 5: TNA kan met RNA paren, een TNA-RNA dubble helix vormen. Hieronder Threose en Ribose vergeleken:
 |
| De pre-biotische synthese van TNA is makkelijker dan die van RNA. [1] |
Omdat TNA (met threose in plaats van ribose) makkelijker abiotisch is te synthetiseren is het een kandidaat voor een voorloper van RNA. Eis 5 (compatibilitiets eis) is natuurlijk een beperking die we met terugwerkende kracht moeten opleggen omdat we nu eenmaal weten dat RNA en DNA de winnaars zijn. Maar dat wil niet zeggen dat er toen geen andere alternatieven zijn gevormd.
DNA is niet vanzelfsprekend
Het lijkt erop dat er alternatieven zijn die voldoen aan de 5 bovengenoemde eisen Maar ik moet dat nog beter uitzoeken. Zoveel is duidelijk dat we deze alternatieven voor DNA serieus moeten nemen. Zeker is wel dat we niet meer als vanzelfsprekend of onvermijdelijk mogen aannemen dat alle leven op DNA en RNA gebaseerd moet zijn. Alsof de prebiotische chemie onvermijdelijk DNA of RNA als eindresultaat zou hebben. Op andere planeten kan het eindresultaat anders uitgevallen zijn.
Evolutie handboeken
Als je eenmaal dit inzicht hebt, is het best verbazend dat evolutiehandboeken nauwelijks aandacht besteden aan dit fundamentele probleem en soms net doen alsof DNA of RNA het enige molecuul is dat geschikt is als erfelijkheidsdrager. Alsof er geen keuze was. Bij een inclusieve evolutietheorie (dus inclusief ontstaan van het leven) hoort een verklaring waarom RNA en DNA het hebben gewonnen. De evolutietheorie mag niet beperkt zijn tot een verklaring van de genetische code (lastig genoeg!) of base volgorde (A,T,C,G) of aminozuurvolgorde in eiwitten. Op zijn minst zou ik een evaluatie willen zien van de voor- en nadelen van DNA en haar alternatieven. Het evolutiehandboek dat nog het beste uit de bus komt is Freeman, Herron (2007) Evolutionary Analysis dat op p. 657 kort een aantal alternatieven noemt als voorlopers van de RNA-world. Strickberger's Evolution Fourth edition (2008) noemt kort de mogelijkheid van ribose-like analogues (ribose vervangers) op p. 130 -131. Toegegeven: je leest er makkelijk overheen. Zeker als je niet de vraagstelling en inzichten hebt, die ik nu heb. In Barton et al (2007) kon ik niets vinden. Excuus voor biologen: je hebt hier diepgaande biochemische kennis voor nodig om hier iets zinnigs over te zeggen...
DNA is niet perfect
Wat me verbaasde bij dit onderzoek is dat sommige alternatieven een sterkere base paring (base pairing) hadden dan DNA! Dus DNA is niet perfect! In dat opzicht tenminste. Is DNA een compromis? Dit alles maakt het hele verhaal bijzonder spannend.
RNA toch spontaan?
Later vond ik nog een publicatie [8,9,10] waarin aangetoond werd dat ondanks alle mislukte pogingen om RNA abiotisch te synthetiseren, het toch mogelijk bleek. Op een zeer onorthodoxe manier, waar nog niemand de afgelopen tientallen jaren aan gedacht had. Dit is wat je noemt thinking outside the box. Zijn de alternatieven overbodig? Maybe, maybe not. Als de alternatieven makkelijk(er) gevormd worden op de primitieve aarde, dan is en blijft er een keuze probleem. De vraag blijft: Wat is de meest waarschijnlijke route temidden van alle chaos naar RNA en DNA?
Wat was de chemicalieën inventaris?
Als je de literatuur leest valt op dat men het niet echt eens is over welke chemische vrbindingen er aanwezig waren op de vroege aarde. Het lijkt alsof men top-down terugredeneert vanaf DNA en RNA en dan beredeneert 'wat er nodig is'. Begrijpelijk, maar niet helemaal correct. Als je het DNA keuze probleem echt wilt begrijpen moet je de chemische verbindingen bottom-up voorspellen die gevormd konden worden uitgaande van eerste beginselen. En het is ook wel handig om te weten of het leven op de bodem van de oceaan, langs de randen van een vulkaan, in een getijden-zone of in een 'warme vijver' is ontstaan.
Conclusie
Dat er maar één erfelijkheids molecuul (DNA) kan zijn is onbewezen en zeer twijfelachtig. Ook is onbewezen dat DNA niet te verbeteren is. Echter, de alternatieven zijn niet even grondig getest als DNA. Dat er goede alternatieven kunnen zijn, zeker niet alleen in de prebiotische fase, maar óók om het leven op een planeet op te baseren, opent een heel nieuw gezichtspunt in de evolutietheorie. Op de implicaties daarvan zal ik zeker nog eens terugkomen.
Bronnen
- Leslie Orgel (2000) A Simpler Nucleic Acid, Science 17 November 2000: Vol. 290 no. 5495 pp. 1306-1307 (belangrijk artikel van de beroemde biochemicus en Origin of Life onderzoeker)
- M. Beier et al (1999) Chemical Etiology of Nucleic Acid Structure: Comparing Pentopyranosyl-(2'→4') Oligonucleotides with RNA) Science 29 January 1999: Vol. 283 no. 5402 pp. 699-703
- Bacterie ontdekt die arsenicum in plaats van fosfor gebruikt mijn blog 2 dec 2010 (de titel had moeten zijn: ...arsenicum in DNA...!)
- Triple Helix: Designing a New Molecule of Life, Scientific American, December 2008 (gaat over Peptide nucleic acids) (gratis)
- PNA Peptide Nucleic Acid
- Aaron E. Engelhart and Nicholas V. Hud (2010) Primitive Genetic Polymers (lang artikel, maar gratis. Betoogt dat DNA ge-optimaliseerd is voor haar taak door een evolutionair proces)
- Biochemistry Revisited Blogspot Why is DNA (and not RNA) a stable storage form for genetic information? January 26, 2008 (is een net iets andere probleemstelling)
- Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions, Nature 459, 239-242 (14 May 2009)
- Met begeleidend commentaar: Jack W. Szostak (2009) Origins of life: Systems chemistry on early Earth, Nature 459, 171-172 (14 May 2009) (News and Views): "Of course, much remains to be done. ... it will stand for years as one of the great advances in prebiotic chemistry."
- Chemist Shows How RNA Can Be the Starting Point for Life (NewYorkTimes, 13 mei 2009) leesbaar artikel, voorbeeld van outside the box thinking, gaat over #8 en #9.
Met dank aan Martin en Nand.
Update (GNA, HNA): 15 feb 2012
0 comments:
Post a Comment