Wie die Lebensmoleküle zueinander fanden

Physiker rekonstruieren, wie sich die ursprünglich gleichförmige Verteilung der Moleküle zur Vorstufe des Lebens gewandelt haben könnte

München - Etwa viereinhalb Milliarden Jahre ist die Erde alt - und nur etwa eine Milliarde davon war sie nach heutigem Erkenntnisstand ein toter Planet. Schon bald nachdem die Oberflächentemperatur unter den Siedepunkt des Wasser gesunken war und sich die ersten Ozeane herausbildeten, dürfte in diesen auch schon das Leben entstanden sein, möglicherweise in der Nähe heißer Unterwasserquellen.

Damals bildeten sich erstmals komplexere chemische Verbindungen, aus denen sich in weiterer Folge die ersten Einzeller zusammensetzten. Dazu aber mussten sich die nur gering konzentrierten und vermutlich im Meerwasser gelösten Strukturen erst einmal finden: Eine erste Form der Selektion, die laut Darwin die Grundlage der Evolution bildet.

Aus dem leblosen Gleichgewicht gebracht

Die Münchner Physiker Christof Mast und Dieter Braun haben nun das grundlegende Prinzip dieses Prozesses im Labor nachgebildet und eine "Molekül-Falle" gebaut. Dabei konnten die Wissenschafter 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."

Die Forscher stellten die Bedingungen in der "Ursuppe" mithilfe eines Temperaturgradienten nach: Sie befüllten eine hauchdünne Glaskapillare mit Puffer 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.

"Molekül-Falle"

Das 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 Molekülen 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.

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. Zudem muss dem Versuchsansatz das Enzym Polymerase zugegeben werden, das für die Replikation der Erbmoleküle essentiell ist. Sowohl das Aufschmelzen der DNA als auch die Verdopplung konnten die Münchner Physiker in ihrem Modell der Molekül-Falle nachweisen.

... wobei durch die Zugabe des Enzyms Polymerase die ersten Schritte auf dem Weg zum Leben nicht ganz realistisch nachgestellt sind: Für die Bildung des Enzyms müssten damals nämlich bereits lange DNA-Moleküle und ein Translationsmechanismus hin zum Protein vorhanden gewesen sein. "Durchaus denkbar ist jedoch die Entstehung und Replikation von RNA", so Christof Mast. Diese Verbindung ist der Erbsubstanz DNA chemisch sehr ähnlich und benötigt zur Vervielfältigung nicht zwingend die Hilfe eines Enzyms. (red)