Entstehung des Lebens: Wurzeln der Stoffwechsel-Reaktionen simuliert

18. Jänner 2016, 11:04
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Tiroler Forscher zeigten in einem künstlichen Ur-Ozean, wie komplexes Zusammenspiel von chemischen Reaktionen auch ohne Enzyme reguliert werden kann

Innsbruck/Wien – In allen lebenden Zellen laufen Stoffwechsel-Reaktionen ab, die in ihren Grundzügen bereits seit den Anfängen des Lebens vor mehreren Milliarden Jahre existieren. Österreichische Forscher zeigen nun im Fachjournal "Science Advances", wie das komplexe Zusammenspiel der chemischen Reaktionen reguliert werden konnte, lange bevor Enzyme diese Aufgabe übernahmen.

Die Grundstruktur der Stoffwechselnetzwerke aller heute lebenden Organismen ist praktisch identisch. So gewinnen etwa fast alle Lebewesen über den Glykolyse-Prozess Energie aus Kohlehydraten. Daraus schließt man, dass diese komplexe Abfolge chemischer Reaktionen früh und nur einmal in der Evolution entstanden ist.

Simulierter Ur-Ozean

Der Südtiroler Biologe Markus Ralser und der Tiroler Biochemiker Markus Keller vom Department of Biochemistry der University of Cambridge (Großbritannien) simulieren in ihren Experimenten die Bedingungen im Ur-Ozean, wie sie laut Sedimentanalysen vor fast vier Milliarden Jahren geherrscht haben. Sie untersuchen dabei eine Vielzahl von Bedingungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von verschiedenen Molekülen, vor allem verschiedene Salze und Metalle, darunter Eisen.

In einer vor zwei Jahren veröffentlichten Arbeit berichteten die Forscher über rund 30 Reaktionen, die ähnlich wie in heutigen Zellen ablaufen, allerdings unter Ur-Ozean-Bedingungen bei etwa 70 Grad Celsius und ohne Enzyme. Es handelt sich dabei primär um zwei Reaktionssequenzen, die für den Ab- und Aufbau von Kohlehydraten verantwortlich sind: die sogenannte Glykolyse und der Pentose-Phosphat-Weg.

"In unserer neuen Arbeit haben wir nicht nur die grundsätzlichen Bedingungen beschrieben, unter denen solche Reaktionen entstehen können, sondern konnten auch zeigen, wie dynamisch diese ablaufen", sagte Keller. Der Biochemiker forscht nach seiner Post-Doc Zeit in Cambridge mittlerweile an der Medizinischen Universität Innsbruck.

Wichtiges Eisen

Die Forscher konzentrierten sich dabei auf die "große Rolle, die Eisen in diesen Reaktionen spielt". Das Metall, das im Ur-Meer in besonders hohen Mengen in gelöster Form vorlag, kann nicht nur katalytisch wirken, sondern u.a. auch indirekt, "indem es das Reaktionsmilieu einer Lösung verändert ", so Keller.

Es zeigte sich, dass viele nichtenzymatische Reaktionen stark vom pH-Wert abhängig sind. So kann über den pH-Wert beeinflusst werden, ob aus 6-Phosphogluconat, ein Zwischenprodukt aus dem Pentose-Phosphat-Weg, Ribose-5-Phosphat oder Erythrose-4-Phosphat gebildet wird. "Selbst in einem nichtenzymatischen Reaktionsnetzwerk gibt es diese rudimentäre Möglichkeit der Regulation", betonte Keller.

Genau solche Reaktionen laufen noch heute in lebenden Organismen ab, mittlerweile allerdings nicht mehr durch Eisen, sondern durch Enzyme reguliert, sagte Keller: "Wird neue RNA benötigt, erhöht sich die Ribose-5-Phosphat-Produktion. Wenn bestimmte, aus Erythrose-4-Phosphat gebildete Aminosäuren benötigt werden, erhöht sich der Fluss in diese Richtung."

Kleiner Einblick in den Ursprung des Lebens

"Wir haben in unseren Zellen einen extrem regulierten Stoffwechsel und man kann sich kaum vorstellen, wie so etwas aus dem Nichts entstanden ist", so der Biochemiker. Diese selbstregulatorischen Möglichkeiten aus nichtenzymatischen Reaktionen würden es aber erleichtern nachzuvollziehen, wie so ein regulatorisches System entstehen könnte.

Für die Entstehung des Lebens in ganz speziellen Nischen gibt es viele Theorien. Keller ist aber überzeugt, mit den Experimenten "sehr generelle Bedingungen" aufzuzeigen, die überall in den Ozeanen möglich waren, "wodurch diese Erkenntnisse für große Teile der urzeitlichen Erde relevant sein können". Dennoch habe man "trotz der Vielzahl an gemessenen Proben nur einen kleinen Einblick in die Möglichkeiten bekommen können, es gibt noch sehr viel zu entdecken." (APA, red, 18.1.2016)

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