Wie das Leben vor vier Milliarden Jahren begonnen haben könnte

7. Mai 2013, 14:29
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Urzeit-Bedingungen im Reagenzglas: einfacher Temperaturgradient könnte zu langen RNA-Ketten geführt haben

Nach der Entstehung der Erde bildeten sich im Ur-Ozean aus einzelnen Molekülen über einen langen Zeitraum hinweg komplexe genetische Informationen. Nach wie vor ungeklärt ist, wie es zu diesem revolutionären Vorgang vor rund vier Milliarden Jahren gekommen ist. Nun haben Physiker erstmals einen Weg aufgezeigt, wie ein einfacher Temperaturgradient Mitauslöser der biologischen Evolution gewesen sein könnte.

Die wichtigste Verbindung am Beginn des Lebens war vermutlich die Ribonukleinsäure (RNA). Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.

Unklar ist allerdings, wie die allerersten RNA-Polymere entstanden sind. Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt, die sich ohne Katalysatoren zusammengesetzt haben müssen. Bisher konnten Wissenschafter im Reagenzglas unter urzeitlichen Bedingungen aber nur Ketten von etwa 20 Nukleotiden bilden.

Realistisches Urzeit-Szenario

LMU-Physiker um Dieter Braun und Ulrich Gerland haben nun gezeigt, wie die Physik das Problem der zu kurzen Polymere gelöst haben könnte – und sind damit dem Geheimnis über den Ursprung des Lebens ein gutes Stück näher gekommen. Die Forscher entwickelten zunächst ein theoretisches Modell. Hiermit konnten sie zeigen, dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen.

Dabei gingen sie von einem realistischen Urzeit-Szenario aus: Eine mit Meerwasser gefüllte Gesteinspore liegt in der Nähe einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer heißen Tiefseequelle. Auf diese Weise istdie zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer alsdie andere. Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite durch einen Effekt, der Thermophorese genannt wird.

"Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophoresekombinieren sich zu einer thermalen Falle, die lange Polymere besser akkumuliert als kurze und somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt", erklärt Christof Mast, Erstautor der Studie. "Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich überexponenziell."

Experimente belegen These

Dieses Modell konnten die Münchner Physiker auch durch Experimente belegen: Dabei stellten sie die Pore in Form einer feinen Glaskapillare nach und sorgten für einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Dem Meerwasser entsprach eine einfache Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten sie kurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können. DNA anstelle von RNA wurde verwendet, weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde. Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.

"Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen", fasst Braun die Ergebnisse zusammen. "Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert." (red, derStandard.at, 07.05.2013)

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