Friday, April 20, 2012

Waarom DNA? (5) XNA: een belangrijke stap naar functioneel alternatief DNA

Posted by Unknown at 12:26 AM Labels: ,
Vandaag in Science bijzonder opwindende nieuwe onderzoeksresultaten over alternatief DNA.  (Postscript zondag 22 april)

Inleiding:
Achteraf gezien is het merkwaardig dat de ontdekking van de chemische structuur van DNA in 1953 door Watson en Crick niet tot speculaties leidde over hoe DNA ontstaan kon zijn toen het leven ontstond [1]. Echter, men had toen wel wat anders aan 't hoofd: hoe codeert DNA voor eiwitten? (m.a.w.: het probleem van de genetische code) en zulke fundamentele zaken als hoe DNA 'zichzelf' repliceert. Omdat men meende dat DNA uniek geschikt was als informatiedrager, had niemand behoefte aan alternatief DNA. Men was zó onder de indruk van de elegante, regelmatige structuur van DNA, als de enige oplossing voor het probleem, dat er gewoonweg geen alternatief kón bestaan. Bovendien hád men al enige alternatieven op papier uitgeprobeerd en verworpen. Bijvoorbeeld die van Linus Pauling met de fosfaatgroepen en suikers aan de binnenkant en de bases aan de buitenkant.

enkelstrengs DNA
(bases T,C,A,G rechts,
fosfaat-suiker backbone links)
Voor het ontstaan van het leven was die uniekheid van DNA echter een groot probleem. Als er maar één molecuul geschikt is als drager voor erfelijkheid, is het dan niet erg onwaarschijnlijk dat precies dat ene molecuul toevallig uit beschikbare chemische elementen aanwezig op de levenloze aarde tevoorschijn zou komen? De gedachte ontstond toen dat de juiste bouwstenen van DNA (suiker, fosfaat, bases) noodzakelijk moesten ontstaan in het pre-biotisch tijdperk. En die bouwstenen vormden DNA omdat dat ook chemisch noodzakelijk was. De bouwstenen konden maar één (stabiele) structuur vormen: en dat was de dubble helix met de 4 bases aan de binnenkant.

Nader onderzoek naar het ontstaan van DNA uit bouwstenen leverde hardnekkige problemen op. Men concludeerde dat er voorlopers moesten zijn. Toen opperde men een RNA-wereld als voorloper van de DNA-wereld. Dat was een grote doorbraak. Maar na veel onderzoek kwam toch langzamerhand de vraag naar boven: hoe ontstond de RNA-wereld? Voorlopers van de RNA wereld natuurlijk! was het antwoord. Maar welke? Chemici gingen zoeken naar primitieve voorlopers van de RNA/DNA wereld.

En ze vonden een aantal geschikte kandidaten. Die konden wel paren met DNA en RNA, maar konden zichzelf niet repliceren. Dat klinkt vreemd als je bedenkt dat de bases paren volgens de beroemde Watson-Crick base paren AT en CG. Die passen chemisch precies. Dat inspireerde Watson en Crick tot de beroemde understatement: de base paring in DNA suggereert een mechanisme voor replicatie!. Dat was de basis voor erfelijke informatie. Het moge dan wel zo zijn dat de bases specifiek paren, dat wil nog niet zeggen dat de dubbele helix zich efficient kan vormen en verdubbelen (DNA replicatie) zonder enzymen. Dat was een probleem (bv voor het ontstaan van het eerste DNA). Nu zijn we aangeland bij het nieuwe onderzoek dat vandaag in Science verscheen.

DNA en zes alternatieve suikers in de 'backbone'
©Science 20 april 2012 (labels toegevoegd)
Pinheiro en medewerkers hebben 6 alternatieven voor de suiker in DNA (desoxyribose) en RNA (ribose) ontworpen en uitgeprobeerd. Die alternatieven worden XNAs genoemd (X = xeno = vreemd). Die XNAs hebben een andere backbone dan DNA. De bases en fosfaat zijn het zelfde. Zie plaatje. Dit is een behoorlijke uitbreiding van de mogelijkheden om een 'erfelijkheidsmolecuul' te maken. De nieuwe XNAs konden een dubbele helix vormen met de helft van traditioneel DNA en RNA. Ook dat is belangrijk.

Het meest vernieuwende aspect is dat de onderzoekers enzymen (polymerases) hebben ontwikkeld d.m.v. artificiële evolutie die stukken XNA konden kopieren naar DNA en weer terug. Dit was nodig omdat de natuurlijke enzymen die DNA kopieren niet werken voor XNA. Enigszins logisch. Het is nog niet gelukt om XNA volledig zelfstandig met behulp van nieuwe xeno-enzymen te laten repliceren (er is een tussenstap via DNA nodig). Dat is de volgende stap. Wanneer dat gelukt is heb je zowel alternatief DNA als een enzym dat XNA kan repliceren. Wanneer je dat hebt kan er een evolutie proces starten. In ieder geval in het lab.

De betrouwbaarheid van replicatie van XNA met de xeno-enzymen is in de orde van 95% tot 99%. Dit lijkt veel maar is lager als modern DNA. De reden is dat de nieuwe xeno-polymerase enzymen geen repair-activiteit hebben. De betrouwbaarheid berust dan geheel op base paring.

De auteurs hebben ook nog gekeken naar de mogelijkheid van evolutie van de XNA moleculen.Volgens hun proefopzet lukte dat. Ze concludeerden:
"DNA and RNA are not functionally unique as genetic materials".
Dus: XNAs kunnen functioneren als dragers van erfelijkheid en kunnen evolueren. Dit is een forse maar belangrijke uitspraak. Ze hebben in dit onderzoek geen alternatieve bases bekeken. En ze zijn ook niet ingegaan op de pre-biotische synthese van XDA. Maar, bijna 60 jaar na de ontdekking van de structuur van DNA door Watson en Crick in 1953, is nu zo langzamerhand wel aangetoond dat er alternatief DNA mogelijk is. De rest is een kwestie van tijd. Er is bovendien een link gelegd naar 'extraterrestrial life', de Origin of Life en Synthetische Biologie.

Bronnen:



(met dank aan Marleen)

Noten
  1. Crick was een fysicus en Watson was een bioloog. Beide waren dus geen (bio)chemici. Dat verklaart misschien dat ze geen verder onderzoek deden naar de vraag: Waarom DNA? Crick heeft nog de meeste belangstelling getoond voor het ontstaan van het leven: in 1981 publiceerde hij Life Itself. It's origin and nature.
Postscript zondag 22 april:
De nrc wetenschapsbijlage had een kwart pagina over XNA door Lucas Brouwers. Daar haal ik nog de volgende aardige aanvullingen uit:
 "Het startpunt was een enzym van de hitteresistente bacterie Thermococcus gorgonarius. In het lab bleek dit enzym uit zichzelf al één type onnatuurlijk suiker in een groeiende DNA streng te kunnen inbouwen." Nog 14 mutaties waren nodig. Hier blijkt al weer het belang van enzymen met grote specificiteit. Die kunnen er niet geweest zijn ten tijd van de Origin of Life?! Eigenlijk zou de nadruk van het verhaal niet zozeer op die vreemde XNA soorten moeten liggen, maar op de xeno-enzymen (xeno-polymerases). Maar dat woord wordt niet gebruikt. Ook wijst LB er op dat XNA niet door bestaande enzymen kan worden afgebroken. Al weer het belang van enzymen.
Dan komt een belangrijke vraag:
Had het leven net zo goed voor een XNA variant kunnen kiezen i.p.v. DNA? Pinheiro antwoordt: "In principe had elk molecuul de macht kunnen grijpen. En ik denk dat DNA en RNA bij toeval verschenen. Misschien heeft RNA deze andere polymeren weggeconcurreerd - óf omdat de bouwstenen van RNA talrijker waren, óf omdat RNA/DNA moleculen functioneel beter waren. De dobbelsteen was verzwaard."
Vragen:
-Wat was het evt. functioneel voordeel van RNA?
-Zijn er XNA varianten die makkelijker pebiotisch te synthetiseren zijn?
-Was het misschien cruciaal welke XNA variant als eerste over de beste polymerases beschikte?

Vorige blogs over DNA:


0 comments:

Post a Comment