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Kosmische Chemie im Labor

Wie Peptide auf Weltraumstaub entstehen

In einem Protein sind Aminosäuren über Peptidbindungen zu langen Ketten verknüpft, kürzere Ketten bezeichnet man daher auch als Peptide. Nachdem Serge Krasnokutski und sein Team theoretisch herausgefunden hatten, dass solche Peptide auch über die Polymerisation von Aminoketen statt Aminosäuren gebildet werden können, stand die nächste Frage an: Findet diese Reaktion auch unter den Bedingungen der interstellaren Staubwolken statt?

Experiment
Serge Krasnokutski beim Staub-Experiment. © Jens Meyer/ Universität Jena

Weltraumstaub in der Vakuumkammer

Um das herauszufinden, bauten die Forscher diese Bedingungen im Labor nach. Dafür verwendeten sie eine Hightech-Apparatur, die die wichtigsten Eigenschaften einer eisigen Staubkornoberfläche im Weltraum reproduziert: Das INter-Stellar Ice Dust Experiment (INSIDE), das einige Jahre zuvor an der Universität Jena entwickelt worden war. Das Schlüsselelement des Aufbaus ist eine Ultrahochvakuumkammer, die künstlich einen Zustand ähnlich geringer Dichte erzeugen kann, wie er in Molekülwolken im interstellaren Medium herrscht.

Als Ersatz für den kosmischen Staub nutzten die Wissenschaftler eine Oberfläche aus Kaliumbromid, die sie bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt herunterkühlten. Dann gaben sie eine geringe Menge Kohlenmonoxid, C-Atome und Ammoniak darauf ­– eine Schicht, die höchstens ein paar Dutzend Atome dick war. Tatsächlich ergaben Analysen mithilfe eines Infrarot-Spektrographen (FTIR) und der Massenspektrometrie, dass sich Aminoketen gebildet hatte.

Vom Aminoketen zum Peptid

Für den nächsten Schritt erwärmten die Krasnokutski und sein Team ihr Staubanalog langsam und beobachten, was dabei chemisch geschah. Bei Temperaturen von minus 163 Grad begann sich die auf dem künstlichen kosmischen Staubkorn abgelagerte Substanz zu verändern. Die Infrarotspektroskopie zeigte nun die typischen Signaturen von Peptidbindungen – in der Versuchskammer waren Peptide entstanden.

„Die Untersuchungen zeigten, dass unter diesen Bedingungen aus den einfachen Chemikalien das Peptid Polyglycin entstanden ist“, berichtet Krasnokutski. „Hierbei handelt es sich um Ketten aus der Aminosäure Glycin, wobei wir verschiedene Längen beobachtet haben. Die längsten Exemplare bestanden aus elf Einheiten der Aminosäure.“

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Komet
Kometen und Meteoriten könnten Peptide und andere Lebensbausteine auf die Erde gebracht haben. © S. Krasnokutski / MPI für Astronomie

Lebensbausteine selbst im interstellaren Raum

Damit scheint klar, dass die Bildung von Peptiden auch unter Weltraumbedingungen ablaufen kann – und dass dafür nicht viel mehr als Ammoniak, Kohlenmonoxid und Kohlenstoff nötig ist. „Die einzelnen Kohlenstoffatome setzen eine reiche und vielfältige Chemie in Gang“, sagt Krasnokutski. „Selbst unter den Bedingungen, die im Weltraum herrschen, geht diese Chemie viel weiter in Richtung dessen, was für die Entstehung von Leben notwendig ist, als bisher angenommen.“

Selbst auf Staubkörnchen im interstellaren Raum könnten demnach entscheidende Lebensbausteine entstanden sein. Damit aus dem Aminoketen Peptide werden können, müssen diese Staubkörnchen nur ein wenig erwärmt werden. Das könnte beispielsweise geschehen, wenn in nahem Umfeld ein neuer Stern entsteht oder wenn das Staubkörnchen mit den Strömungen des interstellaren Mediums in ein Planetensystem getragen wird, wo es dann auf der Planetenoberfläche landet und dort aufgewärmt wird.

Die Ergebnisse ihres Experiments haben Krasnokutski und seine Kollegen kürzlich im Fachmagazin „Nature Astronomy veröffentlicht. (doi: 10.1038/s41550-021-01577-9)

 

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Lebensbausteine aus dem Weltraum
Kosmische Staubkörner als Fabriken von Biomolekülen

Moleküle aus dem All
Woher kommen die Lebensbausteine?

Eisiger Staub
Interstellare Wolken als kosmische "Chemiefabrik"

Eine Frage der Energie
Wie entstehen längerkettige Biomoleküle im interstellaren Raum?

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