Probing RNA catalysis in protocellular settings relevant to the origin of life

Abstract

The emergence of life has long been a topic of high interest. Of the many hypotheses pro-posed for the emergence of early cellular predecessors of our last universal common ances-tor (LUCA), the RNA World hypothesis is a prime candidate. It posits a time before the evolution of modern DNA / protein-based life, where both roles of information storage and processing were played by RNA, while DNA and complex proteins had not yet evolved. With the advent of in vitro evolution, selection experiments have yielded a variety of dif-ferent catalytic RNAs (ribozymes) able to catalyse a range of chemical reactions in a se-quence-dependent manner. Nonetheless, a number of outstanding problems remain, such as the dissemination of genetic information among protocell populations in the absence of complex cell division machinery, genotype-phenotype coupling in RNA-peptide based membrane-less compartments and finally, the general sequence-independent templating abilities of ribozymes. In this work, cycles of freezing and thawing were employed to drive the proliferation of encapsulated RNA replicators among feedstock vesicles, allowing their survival following multiple rounds of dilution via self-amplification, thereby enabling a primitive form of lateral gene transfer among protocell populations and eliminating the need for sophisticated cell division apparatus. In the following section, a ribozyme ligase was re-engineered to perform concatenated ligation of an RNA substrate leading to a drastic increase in length. Ribozyme activity was subsequently characterised in the presence of short lysine homopeptides that allow phase separation and RNA partitioning. Moreover, ribozyme activity was found to modulate the physical properties of coacervates, demon-strating a primitive form of genotype-phenotype linkage in membraneless model protocells. Finally, a group I intron-derived ribozyme ligase that performs templated ligation reaction was employed as a general templated RNA ligase and characterised for the synthesis of a variety of functional RNA sequences. The system was subsequently adopted by collabora-tors as a starting point for the development of environmentally-driven RNA replication systems. Taken together, the data presented here offer insight into the possible mechanisms for persistence and proliferation of prebiotically relevant protocell models in environmental settings as well as an overview of the ‘proto-biosphere’ on early Earth and potential transi-tional stages of chemical and biological evolution leading to the emergence of the first cellular systems as we know them.

Die Entstehung des Lebens ist seit langem ein Thema von großem Interesse. Von den vielen Hypothesen, die für die Entstehung früher zellulärer Vorläufer unseres letzten gemeinsamen Vorfahren vorgeschlagen wurden, ist die RNA-Welt-Hypothese ein Hauptkandidat. Sie geht von einer Zeit vor der Evolution des modernen DNA-/Protein-basierten Lebens aus, in der die RNA sowohl die Rolle der Informationsspeicherung als auch die der Informationsverarbeitung übernahm, während sich die DNA und komplexe Proteine noch nicht entwickelt hatten. Mit dem Aufkommen der In-vitro-Evolution haben Selektionsexperimente eine Vielzahl verschiedener katalytischer RNAs (Ribozyme) hervorgebracht, die in der Lage sind, eine Reihe chemischer Reaktionen in sequenzabhängiger Weise zu katalysieren. Dennoch gibt es noch eine Reihe offener Probleme, wie z. B. die Verbreitung genetischer Informationen zwischen den Populationen von Protozellen in Abwesenheit einer komplexen Zellteilungsmaschinerie, die Genotyp-Phänotyp-Kopplung in membranlosen Kompartimenten auf RNA-Peptidbasis und schließlich die allgemeinen sequenzunabhängigen Template-Fähigkeiten von Ribozymen. In dieser Arbeit wurden Zyklen des Einfrierens und Auftauens eingesetzt, um die Vermehrung eingekapselter RNA-Replikatoren in den Ausgangsvesikeln anzutreiben und ihr Überleben nach mehreren Verdünnungsrunden durch Selbstamplifikation zu ermöglichen, wodurch eine primitive Form des lateralen Gentransfers zwischen Protozellpopulationen ermöglicht wird und die Notwendigkeit eines hochentwickelten Zellteilungsapparats entfällt. Im folgenden Abschnitt wurde eine Ribozym-Ligase so umgestaltet, dass sie eine verkettete Ligation eines RNA-Substrats durchführt, was zu einer drastischen Zunahme der Länge führt. Die Ribozymaktivität wurde anschließend in Gegenwart von kurzen Polylysin-Polymeren charakterisiert, die eine Phasentrennung und RNA-Verteilung ermöglichen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Ribozymaktivität die physikalischen Eigenschaften von Koazervaten moduliert, was eine primitive Form der Genotyp-Phänotyp-Verknüpfung in membranlosen Modell-Protozellen demonstriert. Schließlich wurde eine von einem Gruppe-I-Intron abgeleitete Ribozym-Ligase, die eine matrizenabhängige Ligationsreaktion durchführt, als allgemeine RNA-Ligase eingesetzt und für die Synthese verschiedener funktioneller RNA-Sequenzen charakterisiert. Das System wurde anschließend von Kollaborationspartnern als Ausgangspunkt für die Entwicklung von umweltgesteuerten RNA-Replikationssystemen übernommen. Zusammengenommen bieten die hier vorgestellten Daten einen Einblick in mögliche Persistenz- und Vermehrungsstrategien präbiotisch relevanter Protozellmodellen sowie einen Überblick über eine mögliche "Proto-Biosphäre" auf der frühen Erde und potentielle evolutionäre Zwischenstufen, die zur Entstehung der ersten zellulären Systeme geführt haben könnten.