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Donnerstag, 25.08.2016
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Ursuppe: Stoffwechsel vor der ersten Zelle?

Experiment weist entscheidende Reaktionen in nachgestelltem Urozean nach

Wie entstand das erste Leben? Diese Frage ist noch immer offen. Aber zumindest schien bisher klar, dass erst mit den ersten Zellen auch der Stoffwechsel begann. Doch genau dies haben britische Forscher nun in einem Experiment widerlegt. In ihrer Labor-"Ursuppe" wiesen sie Stoffwechselreaktionen nach, die ohne Enzyme und andere zelleigene Helfer abliefen. Damit könnten die ersten Stoffwechselwege älter sein als das Leben selbst.
Sah so der Ur-Ozean aus, in dessen eisenhaltigem Wasser vermutlich das Leben entstand?

Sah so der Ur-Ozean aus, in dessen eisenhaltigem Wasser vermutlich das Leben entstand?

Vor etwa vier Milliarden Jahren war die Erdoberfläche zum großen Teil bedeckt mit eisenhaltigen Ozeanen, und in der Atmosphäre gab es noch kaum Sauerstoff. Dass unter solchen Bedingungen bereits die nötigen molekularen Bausteine für späteres Leben entstehen konnten, legte schon das berühmte Experiment von Stanley Miller und seine zahlreichen Variationen nahe. Wie sich diese noch kleinen Bausteine jedoch zu Makromolekülen wie RNA, DNA und Proteinen zusammenfügten und wie und wann die ersten Reaktionen bekannter Stoffwechselwege auftauchten, ist nach wie vor eine unbeantwortete.

Nach gängiger Annahme übernahmen zuerst einfache RNA-Moleküle die Aufgabe der heutigen Enzyme und ermöglichten Reaktionen in zellähnlichen Strukturen. Die RNA war wahrscheinlich auch das erste Molekül, das Informationen speichern konnte und so die genetische Evolution ermöglichte. Diese frühen Enzymvorläufer entwickelten sich dann weiter, um schließlich ganze Stoffwechselwege zu bilden, so die bisherige Ansicht.

Ur-Ozean im Labor


Doch Wissenschaftler um Markus Ralser von der britischen Universität Cambridge zeigen nun im Experiment, dass es auch ohne solche Moleküle geht: Sie stellten im Labor einen Ozean der Ur-Erde nach, gewissermaßen eine neue Variation des Miller-Experiments. Dabei berücksichtigten sie sowohl die Zusammensetzung des Wassers mit verschiedenen Ausgangsstoffen des Stoffwechsels als auch die verschiedenen frühen Sedimente.


Dann heizten sie diese Ursuppe auf 50 bis 90 Grad Celsius auf. Diese Temperaturen herrschen an hydrothermalen Schloten oder unterseeischen Vulkanen – heißen Kandidaten für den Ort ersten Lebens auf der Erde. Für die meisten heutigen Enzyme sind solche Temperaturen viel zu hoch, sie kommen also kaum für die Anfänge des Lebens in Frage.

Ermöglichten erst RNA und frühe Enzyme den Stoffwechsel, oder übernahmen sie bereits existierende Reaktions-Netzwerke?

Ermöglichten erst RNA und frühe Enzyme den Stoffwechsel, oder übernahmen sie bereits existierende Reaktions-Netzwerke?

Stoffwechsel auch ohne Enzyme


Die anschließende Analyse zeigte: Auch ganz ohne Enzyme reagierten die frühen Lebensbausteine miteinander. Unter anderem fanden die Wissenschaftler Stoffwechselprodukte der Glykolyse und des Pentose-Phosphat-Weges – zwei der heute wichtigsten zentralen Stoffwechselwege der Zelle. Entscheidend dafür waren aber die im Wasser gelösten Metalle, besonders Eisen: "In Anwesenheit von Eisen und anderen Verbindungen aus den ozeanischen Sedimenten fanden 29 Stoffwechsel-ähnliche chemische Reaktionen statt", berichtet Ralser, "unter anderem solche, die einige der essentiellen Chemikalien des Stoffwechsels bilden, unter anderem Bausteine für Proteine oder RNA."

Besonders ein RNA-Baustein, das Ribose-5-Phosphat, ist für die Forscher interessant: Es deutet daraufhin, dass aus diesen rein chemischen Prozessen tatsächlich auch die ersten komplizierteren biologischen Moleküle hervorgegangen sein können. Aus ihren Ergebnissen schließen die Forscher daher, dass ein ganzes Netzwerk der von ihnen beobachteten Reaktionen, der Kern des zellulären Stoffwechsels, älter sein könnte als das Leben selbst. Wann und wie die ersten Enzyme schließlich diese von Metallen katalysierten Reaktionen übernahmen, ist jedoch immer noch unklar.
(Molecular Systems Biology, 2014; doi: 10.1002/msb.20145228)
(European Molecular Biology Organization, 29.04.2014 - AKR)
 
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