PROTOBIONTS: OORSPRONG EN EIGENSCHAPPEN - BIOLOGIE - 2026

De protobionten zijn biologische complexen die volgens sommige hypothesen over het ontstaan ​​van leven de cellen voorafgingen. Volgens Oparín zijn dit moleculaire aggregaten omgeven door een semipermeabel lipidemembraan of een vergelijkbare structuur.

Deze biotische moleculaire aggregaten zouden een eenvoudige reproductie en een metabolisme kunnen voorstellen dat erin slaagde de chemische samenstelling van het inwendige van het membraan anders te houden dan zijn externe omgeving.

Bron: pixabay.com

Sommige experimenten die door verschillende onderzoekers in het laboratorium zijn uitgevoerd, hebben aangetoond dat protobionten spontaan kunnen worden gevormd met organische verbindingen die zijn gemaakt van abiotische moleculen als bouwstenen.

Voorbeelden van deze experimenten zijn de vorming van liposomen, dit zijn aggregaties van kleine druppeltjes omgeven door membranen. Deze kunnen ontstaan ​​wanneer lipiden aan water worden toegevoegd. Het gebeurt ook wanneer andere soorten organische moleculen worden toegevoegd.

Het kan gebeuren dat liposoomachtige druppeltjes werden gevormd in vijvers van prebiotische tijden en deze bevatten willekeurig enkele polymeren van aminozuren.

In het geval dat de polymeren bepaalde organische moleculen permeabel maken voor het membraan, zou het mogelijk zijn om deze moleculen selectief op te nemen.

Eigenschappen en kenmerken

De vermeende protobionten kunnen worden gevormd uit hydrofobe moleculen die zijn georganiseerd in de vorm van een dubbellaag (twee lagen) op het oppervlak van een druppel, die doet denken aan de lipidemembranen die aanwezig zijn in moderne cellen.

Door Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHats, van Wikimedia Commons

Halfdoorlatende membranen

Omdat de structuur selectief permeabel is, kan het liposoom opzwellen of leeglopen, afhankelijk van de concentratie opgeloste stoffen in het medium.

Dat wil zeggen, als het liposoom wordt blootgesteld aan een hypotoon medium (de concentratie in de cel is hoger), komt water de structuur binnen, waardoor het liposoom opzwelt. Als het medium daarentegen hypertoon is (de concentratie van de cel is lager), beweegt het water zich naar het externe medium.

Deze eigenschap is niet uniek voor liposomen, maar kan ook worden toegepast op de eigenlijke cellen van een organisme. Als rode bloedcellen bijvoorbeeld worden blootgesteld aan een hypotone omgeving, kunnen ze exploderen.

Opwinding

Liposomen kunnen energie opslaan in de vorm van een membraanpotentiaal, een spanning over het oppervlak. De structuur kan spanning ontladen op een manier die doet denken aan het proces dat plaatsvindt in neuronale cellen van het zenuwstelsel.

Liposomen hebben verschillende kenmerken van levende organismen. Het is echter niet hetzelfde als beweren dat liposomen leven.

Oorsprong

Er is een grote diversiteit aan hypothesen die de oorsprong en evolutie van het leven in een prebiotische omgeving proberen te verklaren. De meest opvallende postulaten die de oorsprong van protobionten bespreken, worden hieronder beschreven:

Hypothese van Oparin en Haldane

De hypothese over biochemische evolutie werd in 1924 voorgesteld door Alexander Oparin en in 1928 door John DS Haldane.

Dit postulaat gaat ervan uit dat de prebiotische atmosfeer zuurstof ontbeerde, maar sterk verminderde, met grote hoeveelheden waterstof die leidden tot de vorming van organische verbindingen dankzij de aanwezigheid van energiebronnen.

Volgens deze hypothese, terwijl de aarde afkoelde, condenseerde stoom van vulkaanuitbarstingen, die neersloeg als zware en constante regenval. Toen het water viel, droeg het minerale zouten en andere verbindingen, waardoor de beroemde oersoep of voedingsbouillon ontstond.

In deze hypothetische omgeving kunnen zich grote moleculaire complexen vormen, prebiotische verbindingen genaamd, die aanleiding geven tot steeds complexere cellulaire systemen. Oparin noemde deze structuren protobionten.

Naarmate protobionten in complexiteit toenamen, verwierven ze nieuwe mogelijkheden om genetische informatie over te dragen, en Oparin gaf de naam eubionts aan deze meer geavanceerde vormen.

Miller en Urey experimenteren

In 1953, na de postulaten van Oparin, voerden de onderzoekers Stanley L. Miller en Harold C. Urey een reeks experimenten uit om de vorming van organische verbindingen te verifiëren, uitgaande van eenvoudige anorganische materialen.

Miller en Urey slaagden erin om een ​​experimenteel ontwerp te maken dat op kleine schaal prebiotische omgevingen simuleerde met de omstandigheden die door Oparin werden voorgesteld, en erin slaagde een reeks verbindingen te verkrijgen zoals aminozuren, vetzuren, mierenzuur, ureum, onder anderen.

Genetisch materiaal van protobionten

RNA-wereld

Volgens de hypothesen van huidige moleculair biologen droegen protobionten RNA-moleculen in plaats van DNA-moleculen, waardoor ze informatie konden repliceren en opslaan.

Naast een fundamentele rol bij de eiwitsynthese, kan RNA zich ook gedragen als een enzym en katalyse-reacties uitvoeren. Vanwege deze eigenschap is RNA een aangewezen kandidaat om het eerste genetische materiaal in protobionten te zijn.

RNA-moleculen die in staat zijn tot katalyse, worden ribozymen genoemd en kunnen kopieën maken met complementaire sequenties van korte stukjes RNA en het splitsingsproces mediëren, waarbij stukjes van de sequentie worden geëlimineerd.

Een protobiont met een katalytisch RNA-molecuul erin varieerde van zijn homologen die dit molecuul misten.

In het geval dat het protobiont zou kunnen groeien, delen en het RNA naar zijn nakomelingen zou kunnen doorgeven, kunnen de processen van darwinistische natuurlijke selectie op dit systeem worden toegepast en zouden de protobionten met RNA-moleculen hun frequentie in de populatie verhogen.

Hoewel het verschijnen van dit protobiont zeer onwaarschijnlijk is, is het noodzakelijk om te onthouden dat er mogelijk miljoenen protobionten hebben bestaan ​​in de wateren van de vroege aarde.

Uiterlijk van DNA

DNA is een veel stabieler dubbelstrengs molecuul in vergelijking met het RNA-molecuul, dat kwetsbaar is en onnauwkeurig repliceert. Deze eigenschap van nauwkeurigheid in termen van replicatie werd noodzakelijker naarmate de genomen van de protobionten in omvang toenamen.

Aan Princeton University stelt onderzoeker Freeman Dyson voor dat DNA-moleculen korte structuren kunnen zijn, die bij hun replicatie worden ondersteund door polymeren van willekeurige aminozuren met katalytische eigenschappen.

Deze vroege replicatie kon plaatsvinden in protobionten die grote hoeveelheden organische monomeren hadden opgeslagen.

Na het verschijnen van het DNA-molecuul zou RNA zijn huidige rol als tussenpersoon voor vertaling kunnen gaan spelen, waardoor de "wereld van DNA" ontstaat.

Referenties

1. Altstein, AD (2015). De progene-hypothese: de nucleoproteïnewereld en hoe het leven begon. Biology Direct, 10, 67.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: leven op aarde. Pearson onderwijs.
3. Campbell, AN, en Reece, JB (2005). Biologie. Redactioneel Médica Panamericana.
4. Gama, M. (2007). Biologie 1: een constructivistische benadering. Pearson Education.
5. Schrum, JP, Zhu, TF en Szostak, JW (2010). De oorsprong van het cellulaire leven. Cold Spring Harbor-perspectieven in de biologie, a002212.
6. Stano, P., en Mavelli, F. (2015). Protocells-modellen in de oorsprong van het leven en synthetische biologie. Life, 5 (4), 1700–1702.