DNA heeft genetische code, maar wat leest het? 'Gene Machine' auteur verklaart

Net als DNA is voor onszelf de beroemde dubbele helix de kern van de studie van biologie wereldwijd. Maar deze fundamentele moleculen kunnen niet alleen werken. DNA slaat de broncode en gegevens op om ons lichaam te bouwen, en de ontdekking ervan opende de deur naar talloze nieuwe onderzoeksdraden, waaronder de vraag: "Welke machine leest onze code?"

Nobelprijswinnaar bioloog Venki Ramakrishnan ontrafelt de reis om het antwoord in te volgen Gene Machine: The Race to Decipher the Secrets of the Ribosome. Hij legt zijn ambitieuze reis vast in het licht van onzekerheid, uitleggend niet alleen de wetenschap met heldere duidelijkheid, maar biedt ook perspectief op de complexe politiek rond het nastreven van kennis met nederigheid.

Hieronder is een fragment van Gene Machine, deze week gepubliceerd door Basic Books.

Te voorschijn komend uit de oermist

Hoe het leven begon, is een van de grote overblijvende mysteries van de biologie. Alle leven vereist enige vorm van energie in de juiste chemische omgeving. Sommige mensen hebben erop gewezen dat veel van de chemie die het leven gebruikt lijkt op het soort chemie dat optreedt aan de randen van geothermische ventilatieopeningen in de oceaan. Zelfs als dit slechts een toeval is zoals anderen hebben betoogd, is het nuttig om na te denken over welke omstandigheden het leven mogelijk hebben gemaakt. Maar fundamenteel is het leven meer dan een reeks chemische reacties; het is het vermogen genetische informatie op te slaan en te reproduceren op een manier waardoor complexe levensvormen evolueren van zeer primitieve. Aan de hand van dit criterium is het onbetwistbaar dat zelfs virussen in leven zijn, ook al vroegen mensen het om vragen, omdat ze een gastheercel nodig hebben om zich te vermenigvuldigen. Iedereen die echter ziek is geworden door een virus en zijn of haar lichaam heeft ervaren in de strijd tegen een infectie, twijfelt er niet aan dat virussen in leven zijn.

Het probleem was dat DNA in bijna alle vormen van het leven genetische informatie bevatte, maar het DNA zelf was inert en gemaakt door een groot aantal eiwitenzymen, die niet alleen RNA, maar ook het ribosoom vereisten om die enzymen te maken. Bovendien werd de suiker in DNA, deoxyribose, gemaakt van ribose door een groot gecompliceerd eiwit. Niemand kon begrijpen hoe het hele systeem had kunnen beginnen. Wetenschappers die nadachten over hoe het leven begon, zoals Crick, Leslie Orgel aan het Salk Institute in La Jolla en Carl Woese van de University of Illinois, suggereerden dat het leven misschien begon met RNA. In die tijd was dit pure speculatie - bijna sciencefiction - omdat van RNA niet bekend was dat het in staat was om chemische reacties uit te voeren.

Cech en Altman's ontdekking hebben dat allemaal veranderd. RNA was nu een molecuul dat informatie kon dragen als een reeks basen, net als DNA, en ook chemische reacties zoals eiwitten kon uitvoeren. We weten nu dat de bouwstenen van RNA kunnen worden gemaakt van eenvoudige chemicaliën die miljarden jaren geleden in de aarde aanwezig kunnen zijn geweest. Het is dus mogelijk om je voor te stellen hoe het leven kan zijn begonnen met veel willekeurig gemaakte RNA-moleculen totdat sommigen van hen zichzelf konden reproduceren. Zodra dit gebeurde, konden evolutie en natuurlijke selectie meer en meer gecompliceerde moleculen maken, uiteindelijk zelfs iets zo ingewikkeld als een primordiaal ribosoom. Het idee van een primordiale RNA-wereld, een term die het eerst werd bedacht door Wally Gilbert, werd breed geaccepteerd.

Het ribosoom is misschien begonnen in een door RNA gedomineerde wereld, maar omdat het eiwitten maakte, werd het een Trojaans paard. Eiwitten bleken veel beter in het doen van de meeste soorten reacties dan RNA, omdat hun aminozuren in staat zijn tot meer gevarieerde chemie dan het eenvoudigere RNA-molecuul. Dit betekende dat naarmate eiwitten werden gemaakt, deze geleidelijk evolueerden om de meeste functies van de RNA-moleculen in die tijd over te nemen en nog veel meer. Door dit te doen transformeerden ze het leven zoals we het kennen. Dit kan ook verklaren waarom, hoewel het ribosoom veel RNA heeft, de enzymen die DNA repliceren of kopiëren in RNA nu volledig van eiwitten zijn gemaakt. Dit komt waarschijnlijk omdat het gebruik van DNA om genen op te slaan later kwam; tegen die tijd waren eiwitten dominant geworden en voerden ze de meeste reacties in de cel uit.

Dit verklaart natuurlijk niet hoe genen met een code om eiwitten te maken ontstonden. De beste gok is dat een vroege vorm van ribosomen slechts korte stukjes willekeurige peptiden maakte, die hielpen om de RNA-enzymen te verbeteren die er toen waren. Maar vanaf daar, hoe genen ontstonden die instructies bevatten om eiwitten te maken die aminozuren hadden die in een heel specifieke volgorde aan elkaar waren geregen, was een flinke stap en is nog steeds een van de grote mysteries van het leven. En dat zou op zijn beurt betekenen dat naast de grote subeenheid, nog veel andere elementen zouden moeten ontstaan: mRNA om de genetische code te dragen, tRNA's om aminozuren binnen te brengen, en de kleine subeenheid om een ​​platform te bieden voor het mRNA en tRNA's binden. Maar vóór de ontdekking van RNA-katalyse konden mensen niet zien hoe het systeem zelfs in principe kon zijn begonnen.

Excerpted from Gene Machine: The Race to Decipher the Secrets of the Ribosome door Venki Ramakrishnan. Copyright © 2018. Uitgegeven door Basic Books