Das erste Leben entstand vermutlich vor mehr als drei Milliarden Jahren aus einfachen Molekülbausteinen. Doch wie diese Verbindungen sich in der „Ursuppe“ gefunden und in ausreichend hoher Konzentration angereichert haben können, ist bis heute strittig. Jetzt haben Wissenschaftler die Situation im Labor nachgebaut und nachgewiesen, dass schon ein Temperaturgradient genügt haben könnte, um die nötigen Bedingungen zu schaffen, wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten.
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Das Leben auf der Erde nahm seinen Anfang vor mehr als drei Milliarden Jahren. Welche Umstände und Prozesse im Einzelnen dazu geführt haben, ist noch unklar. Sehr wahrscheinlich sind die ersten biologisch aktiven Einheiten im Wasser der Urmeere entstanden, möglicherweise in der Nähe heißer Unterwasserquellen. Fraglich ist bei diesem Szenario unter anderem, wie sich die gering konzentrierten Moleküle finden konnten. Denn nur wo optimale Bedingungen herrschen, können sich neue Strukturen bis hin zu ersten Lebewesen bilden. Wissenschaftler der Universität München um Christof Mast und Professor Dieter Braun haben nun das grundlegende Prinzip dieses Prozesses im Labor nachgebildet.
DNA in Kapillare als „Ursuppenmodell“
Die Physiker stellten diese Bedingungen in der „Ursuppe“ mithilfe eines Temperaturgradienten nach: Sie befüllten eine hauchdünne Glaskapillare mit Pufferlösung und DNA- Molekülen. Ein Infrarot-Laserstrahl war auf den Mittelpunkt der Kapillare fokussiert, so dass sich in der Flüssigkeit ein Temperaturgradient bildete. Durch die schnelle Bewegung des Lasers entlang der Kapillaren entstand gleichzeitig eine Konvektionsbewegung, die die DNA in den kalten und warmen Bereich der Kapillare transportierte.
Dabei konnten die Wissenschaftler in ihrem Versuch in Lösung befindliches Erbgut allein durch einen einfachen Temperaturunterschied aufkonzentrieren und zudem vervielfältigen. „Das ist relevant, weil in Steinporen in der Nähe warmer Unterwasserquellen der Urmeere vermutlich ähnliche thermische Verhältnisse herrschten – und dort ja die ersten Lebewesen entstanden sein könnten“, sagt Braun.„Diese Untersuchung ist für uns aber nur ein erster Schritt. Als Physiker interessiert uns, dass und wie ein Gleichgewicht gestört werden muss – hier etwa die gleichförmige Verteilung der Moleküle – um Leben entstehen zu lassen.“
Kühlere Region als „Molekül-Falle“
Das von den Forschern nachgewiesene Prinzip der „Molekül-Falle“ basiert darauf, dass die doppelsträngigen DNA-Moleküle problemlos vom warmen in den kühleren Bereich wandern. Die Diffusion zurück in den wärmeren Abschnitt gelingt ihnen jedoch deutlich langsamer. Einige Moleküle bleiben auch ganz zurück und sammeln sich punktuell in der kühleren Region. Hauptverantwortlich dafür ist das Prinzip der Thermophorese, der Bewegung von Biomolekülen entlang eines Temperaturgefälles. Wie sehr sich diese Wandergeschwindigkeit von Molekülen durch Temperaturgradienten verändert, ist bei jeder Verbindung unterschiedlich und deren typisches Merkmal. So strömen beispielsweise das Lösungsmittel und auch die einzelsträngigen DNA-Moleküle leichter wieder zurück in den durch Laserstrahlung erwärmten Bereich.
Temperaturunterschiede erleichtern Replikation
Der Temperaturgradient ermöglicht neben der Konzentration doppelsträngiger DNA auch deren Replikation. Um sich verdoppeln zu können, müssen sich die Moleküle zunächst in ihre beiden Stränge teilen. Dies geschieht durch Aufschmelzen bei rund 90°C in der wärmeren Zone der Versuchskapillare. Die Replikation der beiden Hälften zu zwei neuen doppelsträngigen DNA- Molekülen kann jedoch erst
stattfinden, sobald sie durch den Konvektionsstrom in den kühleren Bereich transportiert werden. Sowohl das Aufschmelzen der DNA als auch die Verdopplung konnten die Münchner Physiker in ihrem Modell der „Molekül-Falle“ nachweisen.
Für letzteres musste dem Versuchsansatz jedoch das Enzym Polymerase zugegeben werden, das für die Replikation der Erbmoleküle essentiell ist. Damit wären die ersten Schritte auf dem Weg zum Leben nicht ganz realistisch nachgestellt. Denn für die Bildung des Enzyms hätten damals bereits lange DNA-Moleküle und ein Translationsmechanismus hin zum Protein existiet haben müssen– was vermutlich nicht der Fall war.
RNA-Vervielfältigung damals schon möglich
„Durchaus denkbar ist jedoch die Entstehung und Replikation von RNA“, so Mast. Diese Verbindung ist der Erbsubstanz DNA chemisch sehr ähnlich und benötigt zur Vervielfältigung nicht zwingend die Hilfe eines Enzyms.Den Wissenschaftlern zufolge lassen sich über das Prinzip der Molekül-Falle auch aus einer Mischung verschiedener Moleküle heraus sehr effizient nur einzelne Molekültypen gezielt vervielfältigen. Denn jede Verbindung wandert in einem Temperaturgradienten unterschiedlich und über verschiedene Versuchsparameter haben die Wissenschaftler Einfluss darauf, welche aufkonzentriert werden.
Replikation und Selektion an einem Ort
Mit ihrem Versuch haben die Forscher den ersten Schritt hin zu einem minimalen Darwinschen Prozess gezeigt: Während sich die DNA repliziert, fängt die Molekülfalle die neuen doppelsträngigen Moleküle ein und schützt sie vor der Diffusion in die umliegende Umgebung. Damit wurde gezeigt, dass die Falle an einem Ort Replikation und Selektion beherbergen kann.
„Die Nichtgleichgewichtsbedingungen sind zentral in unserem Experiment, weil wegen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nur so Struktur und damit Lebewesen aufgebaut werden können“, erklärt Dieter Braun. Die bisherigen Versuche sind für ihn erst der Anfang: „Evolution ist eine universale Antwortmaschine, an die man allerlei Fragen stellen kann. Diese Dynamik wollen wir langfristig im Labor nachbauen.“
(Ludwig-Maximilians-Universität München, 10.05.2010 – NPO)
