Sawsan Wehbi, Doktorandin im interdisziplinären Graduiertenprogramm Genetik an der Universität von Arizona, hat ein altes Problem auf neue Weise angegangen und starke Beweise dafür gefunden, dass die Lehrbuchversion der Evolution des universellen genetischen Codes überarbeitet werden muss. Wehbi ist die Erstautorin einer Studie, die in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht wurde und die die Reihenfolge vorschlägt, in der Aminosäuren – die Bausteine des Codes –
rekrutiert wurden, steht im Widerspruch zu dem, was allgemein als „Konsens“ der Evolution des genetischen Codes angesehen wird.
Der genetische Code ist dieses erstaunliche Ding, bei dem eine DNA– oder RNA-Sequenz, die Sequenzen von vier Nukleotiden enthält, mithilfe von 20 verschiedenen Aminosäuren in Proteinsequenzen übersetzt wird“, sagte Joanna Masel, die leitende Autorin des Artikels und Professorin für Ökologie und Evolutionsbiologie an der Universität von Arizona. „Es ist ein unglaublich komplizierter Prozess und unser Code ist überraschend gut. Er ist für eine ganze Reihe von Dingen nahezu optimal und muss sich stufenweise entwickelt haben.“
Die Studie ergab, dass das frühe Leben kleinere Aminosäuremoleküle gegenüber größeren und komplexeren bevorzugte, die später hinzugefügt wurden, während Aminosäuren, die an Metalle binden, viel früher hinzukamen als bisher angenommen. Schließlich entdeckte das Team, dass der heutige genetische Code wahrscheinlich nach anderen Codes entstand, die inzwischen ausgestorben sind.
Die Autoren argumentieren, dass das derzeitige Verständnis der Evolution des Codes fehlerhaft ist, da es auf irreführenden Laborexperimenten und nicht auf evolutionären Beweisen beruht. So beruht einer der Eckpfeiler der herkömmlichen Ansichten zur Evolution des genetischen Codes auf dem berühmten Urey-Miller-Experiment von 1952, bei dem versucht wurde, die Bedingungen auf der frühen Erde zu simulieren, unter denen wahrscheinlich das Leben entstand.
Obwohl das Experiment wertvoll war, um zu zeigen, dass aus unbelebter Materie durch einfache chemische Reaktionen die Bausteine des Lebens entstehen können, darunter auch Aminosäuren, wurden seine Implikationen in Frage gestellt. So wurden beispielsweise keine schwefelhaltigen Aminosäuren gefunden, obwohl das Element auf der frühen Erde in großen Mengen vorhanden war. Daher wird angenommen, dass schwefelhaltige Aminosäuren erst viel später in den Code aufgenommen wurden. Das Ergebnis ist jedoch kaum überraschend, wenn man bedenkt, dass Schwefel in den Versuchsbestandteilen nicht enthalten war.
Das Team verwendete eine neue Methode, um Aminosäuresequenzen im gesamten Stammbaum des Lebens zu analysieren, bis zurück zum letzten universellen gemeinsamen Vorfahren (LUCA), einer hypothetischen Population von Organismen, die vor etwa 4 Milliarden Jahren lebte und den gemeinsamen Vorfahren allen Lebens auf der Erde heute darstellt. Im Gegensatz zu früheren Studien, bei denen vollständige Proteinsequenzen verwendet wurden, konzentrierten sich Wehbi und ihre Gruppe auf Proteindomänen, kürzere Aminosäureabschnitte.
„Wenn man sich das Protein als Auto vorstellt, ist eine Domäne wie ein Rad“, sagte Wehbi. „Es ist ein Teil, das in vielen verschiedenen Autos verwendet werden kann, und Räder gibt es schon viel länger als Autos.“
Um herauszufinden, wann eine bestimmte Aminosäure wahrscheinlich in den genetischen Code aufgenommen wurde, verwendeten die Forscher statistische Datenanalysetools, um die Anreicherung jeder einzelnen Aminosäure in Proteinsequenzen zu vergleichen, die bis auf LUCA und sogar noch weiter zurückreichen. Eine Aminosäure, die bevorzugt in alten Sequenzen auftaucht, wurde wahrscheinlich schon früh eingebaut. Umgekehrt sind in den Sequenzen von LUCA Aminosäuren verarmt, die später aufgenommen wurden, aber erst verfügbar wurden, als weniger alte Proteinsequenzen auftauchten.
Das Team identifizierte mehr als 400 Sequenzfamilien, die auf LUCA zurückgehen. Mehr als 100 davon entstanden sogar noch früher und hatten sich bereits vor LUCA diversifiziert. Es stellte sich heraus, dass diese mehr Aminosäuren mit aromatischen Ringstrukturen enthielten, wie Tryptophan und Tyrosin, obwohl diese Aminosäuren erst spät zu unserem Code hinzugefügt wurden.
„Das gibt Hinweise auf andere genetische Codes, die vor unserem existierten und seitdem in den Tiefen der geologischen Zeit verschwunden sind“, sagte Masel. „Das frühe Leben scheint Ringe gemocht zu haben.“
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410311121
