RNA-världen: omhuldad teori på lös grund

Teorier om livets uppkomst försöker bland annat svara på hur en stegvis utveckling genom slump och naturligt urval kunde ske innan det fanns självreplikerande celler. Det vill säga celler som använder DNA som information, som med hjälp av ett komplext maskineri översätts via RNA till proteiner. Man försöker då oftast hitta någon enklare molekyl eller molekylsystem som skulle kunna replikera sig självt. Ett sådant, hoppas man, skulle kunna utgöra ett förstadium till DNA-RNA-protein-maskineriet och så småningom ”råka” utvecklas till detta mycket komplexa maskineri.

DNA-RNA-protein-maskineriet är som sagt oerhört komplext. Det innehåller dessutom ett delikat hönan-eller-ägget-problem, nämligen att ritningen till de komponenter som replikerar DNA själva är kodade i DNA – vilket förstås tyder på att replikationsmaskineriet och DNA:t måste ha uppkommit fullt färdiga samtidigt!

En hypotes om en enklare form av självreplikerande molekyler baserat på RNA är den så kallade ”RNA-världen”. Den lades första gången fram 1962 av Alexander Rich, men just begreppet ”RNA-världen” myntades fjorton år senare av biokemisten Walter Gilbert. RNA-världen har under de senaste decennierna varit en av de absolut mest populära hypoteserna om hur de första självreplikerande enheterna har uppkommit i livets uppkomst, abiogenes.

Bland naturalistiska evolutionister vill man inte gärna skylta med hur lite svar det sekulära vetenskapssamhället har på frågan om livets ursprung. Detta illustreras tydligt inte minst i fråga om RNA-världshypotesen. I debatter om denna vill man gärna framhålla den aktiva forskning som pågår inom fältet, som om man vore svaret på abiogenesen alldeles på spåren. Man är också ivrig att slå fast att man snart har ett svar på frågan. Undertecknad närvarade till exempel på ”Darwin 200 år”-jubileet på Kungliga Vetenskapsakademin år 2009, där RNA-världen presenterades i ett föredrag. Den välbekante evolutionsförespråkaren professor Dan Larhammar framhöll då hur han hoppades att vi i och med den forskning som där presenterades ”slutligt kunde få slå fast att det var just RNA-världen som är svaret på livets ursprung” (fritt från minnet). En lustig anekdot är att undertecknad samma vecka varit på föreläsning på Uppsala Universitet om en annan pre-biotisk teori, baserad på proteiner. Episoden illustrerar dock hur viktig RNA-världshypotesen är för det evolutionära berättelsebygget, samt på vilken lös grund som denna pusselbit står.

Egentligen behöver man bara läsa lite vetenskapliga artiklar i original för att få en bild av hur osäkert kunskapsläget är kring RNA-världen och abiogenes. Till exempel kan man börja med en artikel från 2012 med titeln ”RNA-världshypotesen – den värsta teorin om den tidiga utvecklingen av livet (förutom alla de andra)”.[1] Men även i en helt vanlig review-artikel, som en i Nature från 2015, framträder tydligt bilden av ett fält som experimenterar, testar och gissar, men som inte har många slutgiltiga svar.[2]

Nu ska det sägas att om du skulle fråga en forskare som själv är verksam på området är denne sannolikt redo att erkänna bristen på svar. Det gäller i alla fall nobelpristagaren Jack Szostak som 2009 höll föredrag på Uppsala Universitet i anslutning till sitt nobelpris.[3] Undertecknad hade förmånen att både lyssna till och ställa frågor vid detta föredrag. Szostak var under föreläsningen väldigt öppen med att frågan om de första självreplikerande molekylerna är olöst, trots att hans forskning går ut på att testa alla möjliga varianter på hur detta har kunnat gå till. Det är dock långt ifrån alltid som denna nyanserade bild kommer fram i debatter på nätet eller populärvetenskapliga medier.

Hur som helst, låt oss se närmare på själva RNA-världshypotesen, samt på några uppenbara kända problem med denna.

Varför just RNA?

Först till frågan varför man så gärna tänker sig RNA som den första självreplikerande molekylen. Det tycks ha att göra med en kombination av två saker.

För det första har RNA den speciella egenskapen att den kan bära funktion både genom sin proteinkodande sekvens, samt i sin struktur i ihopveckad form. Det finns till exempel så kallade ribozymer, som är en sorts enzymer (molekylära ”mikromaskiner”) baserade på RNA istället för proteiner. Man säger att RNA har både genotyp och fenotyp. RNA har nämligen en tendens att vika ihop sig och binda till sig själv enligt specifika mönster baserat på sin sekvens av nukleotider (”RNA-bokstäver”). Detta gör att den får en karakteristisk form som kan medföra en biologisk funktion.

För det andra förekommer RNA-fragment i så kallade komplex med proteiner i vissa enzymer i den idag kända biologin. Dessa två faktum har troligen bidragit till att många forskare leker med tanken att RNA har haft en nyckelroll i livets uppkomst.

Problem med RNA-världen

Grundidén med RNA-världen är alltså att hitta ett enklare system av självreplikerande molekyler eller molekylära system än det DNA-RNA-protein-maskineri vi hittar i biologin. Men att hitta ett sätt där RNA skulle utgöra basen för sådana självreplikerande enheter visar sig allt annat än lätt. RNA-molekyler självreplikerar nämligen inte spontant, utan processen kräver att man tar till en mängd knep.[4] Det är utvärderandet av sådana ”knep” som mycket av RNA-världsforskningen ägnar sig åt. Några av de viktigaste som man har testat är:

1. Försöka åstadkomma enzym-fri självreplikering av enkla RNA-molekyler genom att kyla ned processen

Här försöker man lösa problemet med att nukleotider är så svagt bundna till motsvarande baspar att de alltför lätt lossnar från varandra. Genom att kyla ned processen till runt 0˚C minskar man risken att molekylerna delar upp sig igen.

Detta knep har dock problemet att det går emot den tidigare allmänna uppfattningen att livet skulle ha uppkommit i någon form av ”varm pöl”. Värme är nämligen allmänt ett krav för att vissa kemiska reaktioner ska ske med tillräcklig hastighet. Det blir onekligen ett dilemma när både värme och kyla krävs på samma gång!

2. Ribozym-baserad replikering av RNA-sekvenser av ungefär samma längd som ribozymet självt

Här har olika studier, bland annat också med hjälp av kyla (ibland så kallt som -7˚C), lyckats åstadkomma replikering av lika långa eller längre RNA-fragment än de som ribozymet består av.

Problemet här är att ribozym-baserad replikering egentligen bara flyttar frågan om de första självreplikerande enheterna längre bort. För hur uppkom det första ribozymet? Att det skulle uppstå av sig självt av en slump är i sig oerhört osannolikt och behöver i sådana fall föregås av någon form av enzymfri självreplikering.

3. Nätverk av samverkande ribozymer, som i form av sammantaget system är självreplikerande

Denna idé bygger på att de enskilda molekylerna visserligen inte är självreplikerande, men att systemet som helhet innehåller en process för att replikera varje ingående del – även om det kan ske av en annan komponent än just den som ska replikeras.

Även här är problemet att man egentligen bara flyttar frågan vidare om de allra första självreplikerande enheterna. Ett sådant självreplikerande kemiskt nätverk måste också uppkomma på något sätt, och genom ett mer komplext system blir det bara ännu mer osannolikt att det skulle uppkomma av slump.

RNA-världen i dag

Som vi sett ovan räcker inte komplicerade RNA-baserade lösningar för att besvara frågan om hur livet allra först skulle ha uppkommit. De bara flyttar frågan vidare eller gör processen svårare (t ex genom att värme och kyla krävs mer eller mindre samtidigt).

Vad är då statusen för forskningen inom helt enzym- och ribozymfri självreplikering av RNA-molekyler? Enligt en artikel i den ansedda tidskriften Nature Chemistry från 2016 (för övrigt av samme nobelpristagare som nämnts ovan), hade forskarna hittat en särskild molekyl som hjälpte till att möjliggöra enzymfri RNA-replikering.[5] Trodde man. Men när en forskare från en annan forskargrupp lite senare försökte återupprepa försöket lyckades de inte, varvid den första forskargruppen valde att dra tillbaka sin artikel.[6][7]

En annan nylig utveckling är en forskargrupp som rätt så radikalt angriper RNA-världshypotesen, som man menar inte alls klarar av det som den skulle behöva klara av.

En av forskarna säger till exempel: ”Det finns ingen möjlighet att en enda polymer [kedjad molekyl] skulle kunna sköta om alla nödvändiga processer som vi nu karakteriserar som en del av livet.” Man menar vidare att RNA inte skulle kunna evolvera för att synkronisera alla de olika kemiska processer som behöver ske, utan de skulle spåra ur rätt hejdlöst. Man ser inte heller att RNA skulle klara av att utveckla den genetiska koden.[8] I stället föreslår man en annan teori, baserad på ett komplex av RNA och peptider (aminosyrakedjor som är för korta för att kallas proteiner) bestående av endast två olika aminosyror.[9][10] Inte heller här har man kommit närmare lösningen på problemet utan bara insett att RNA självt inte räcker för det första självreplikerande systemet. Det krävs ett mer komplext system, och därmed också ett än mer osannolikt system.

Slutkommentar

Det är intressant att studera och reflektera över forskningen om hur slumpvis utveckling av det första livet kan ha gått till. Team av högutbildade, intelligenta och förutseende forskare anstränger sig till sitt yttersta och lite till för att hitta ett bra sätt att designa ett system som kan replikera av sig självt. Redan detta faktum antyder att vi inte per automatik får svar på den fråga vi ställde: Hur har livet uppkommit av sig självt? Om forskarna lyckas med att skapa ett självreplikerande system så har vi ju istället hittat svaret på hur intelligenta förutseende designers kan skapa självreplikerande system.

Men alla dessa ansträngningar har ändå gjort en sak tydlig: Det är inte så lätt att skapa ett robust självreplikerande system som inte innehåller det välbekanta DNA-RNA-protein-maskineriet. Kanske har forskarna som tog motsatt angreppssätt kommit närmare sanningen? Nämligen de som skalade bort fler och fler komponenter från den enklaste encelliga organismen tills allt kraschade, och kom fram till att åtminstone 473 stycken proteiner behövdes samtidigt för att livet skulle fungera[11] – ett otroligt stort antal – definitivt för stort för att ha uppkommit av en slump!

Vi står med andra ord ännu mer svarslösa i frågan om abiogenes än någonsin. Och RNA-världen var i vilket fall knappast svaret på frågan. Frågan var snarare helt fel ställd!

Samuel Lampa

Artikeln har tidigare varit publicerad i magasinet Genesis temanummer om Livets ursprung, nr 1 – mars 2019.

[1] H S Bernhardt, “The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others)” i Biol Direct 7 2012, s 1–10

[2] P G Higgs & N Lehman, “The RNA World: Molecular cooperation at the origins of life” i Nature Review Genetics 16(1) 2015, s 7–17. Tillgänglig från: http://dx.doi.org/10.1038/nrg3841.

[3] E H Blackburn, J W Szostak, V Ramakrishnan, T A Steitz, A E Yonath & E Ostrom, Nobelföreläsningarna 2009, Medfarms mediabibliotek, Uppsala Universitet. Tillgänglig från: http://media.medfarm.uu.se/media717 och http://media.medfarm.uu.se/play/video/1478.

[4] Higgs & Lehman, “The RNA World: Molecular cooperation at the origins of life”.

[5] T Z Jia, A C Fahrenbach, N P Kamat, K P Adamala & J W Szostak, ”Oligoarginine peptides slow strand annealing and assist non-enzymatic RNA replication” i Nature Chemistry 8(10) 2016, s 915–21. https://www.nature.com/articles/nchem.2885.

[6] ”’Definitely embarrassing:’ Nobel Laureate retracts non-reproducible paper in Nature journal” i Retraction Watch 2017, Tillgänglig från: http://retrationwatch.com/2017/12/05/definitely-embarrassing-nobel-laureate-rtracts-nonreproducible-paper-nature-journal.

[7] T Z Jia, A C Fahrenbach, N P Kamat, K P Adamala & J W Szostak, ”Oligoarginine peptides slow strand annealing and assist non-enzymatic RNA replication” i Nature Chemistry 8(10) 2016, s 915–21. DOI: 10.1038/nchem.2551). Nat Chem [Internet] 9(12) 2017, s 1286. Tillgänglig från: http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2885.

[8] J Cepelewicz, “The End of the RNA World Is Near, Biochemists Argue” i Quanta Magazine 2017. https://www.quantamagazine.org/the-end-of-the-rna-worldis-near-biochemists-argue-20171219/.

[9] P R Wills & C W Carter. “Insuperable problems of the genetic code initially emerging in an RNA world” i BioSystems[Internet] 164 2018, s 155–66. Tillgänglig från: https://doi.org/10.1016/j.biosystems. 2017.09.006

[10] C W Carter & P R Wills, “Interdependence, reflexivity, fidelity, impedance matching, and the evolution of genetic coding” I Molecular Biology and Evolution 35(2) 2018, s 269–86. Tillgänglig från: https://doi.org/10.1093/molbev/msx265.

[11] C A Hutchison, R Y Chuang, V N Noskov, N Assad-Garcia, T J Deerinck& M H Ellisman, ”Design and synthesis of a minimal bacterial genome” i Science 351(6280) 2016. Tillgänglig från: https://doi.org/10.1126/science.aad6253.