Ursprung des Lebens: Stoffwechsel im Labor ohne Zellen

Die Leute haben gesagt, dass diese Wege so komplex aussehen, dass sie sich nicht durch Umweltchemie allein bilden könnten", sagt Markus Ralser von der Cambridge Universität, die die Forschung betreute.

Aber seine Ergebnisse deuten darauf hin, dass viele dieser Reaktionen spontan in den frühen Ozeanen der Erde aufgetreten sein könnten, katalysiert durch Metallionen, anstatt der Enzyme, die sie heute in Zellen antreibt.

Der Ursprung des Stoffwechsels ist eine große Lücke in unserem Verständnis der Entstehung des Lebens. "Wenn man viele verschiedene Organismen aus der ganzen Welt betrachtet, sieht dieses Netzwerk von Reaktionen immer sehr ähnlich aus, was darauf hindeutet, dass es schon sehr früh in der Evolution entstand, aber niemand wusste genau, wann und wie", sagt Ralser.

Glücklicher Zufall

Eine Theorie ist, dass die RNA der erste Baustein des Lebens war, weil sie hilft, die Enzyme zu produzieren, die komplexe Sequenzen von Reaktionen katalysieren könnten. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Metabolismus zuerst kam; wobei vielleicht sogar die Moleküle erzeugt werden, die benötigt werden, um RNA herzustellen, und dass die Zellen diese Prozesse später eingebauten - aber es gab wenig Anzeichen dafür, um dies zu unterstützen.

"Dies ist das erste Experiment, das zeigt, dass es möglich ist, metabolische Netzwerke in Abwesenheit von RNA zu erschaffen", sagt Ralser.

Bemerkenswert ist, dass die Entdeckung ein Unfall war, man stolperte sozusagen über sie während der routinemäßigen Qualitätskontrolle des Mediums, das verwendet wurde, um Zellkulturen in Ralser's Labor anzulegen. Um das Verfahren abzukürzen, entschied sich einer seiner Schüler dafür, nicht verwendete Medien durch ein Massenspektrometer laufen zu lassen, das ein Signal für Pyruvat aufzeichnete - ein Endprodukt eines Stoffwechselweges, genannt Glykolyse.

Um zu testen, ob die gleichen Prozesse beigetragen haben könnten, das Leben auf der Erde zu entfachen, wandten sie sich an Kollegen in der Abteilung Geowissenschaften, die an der Rekonstruktion der Chemie des Urozeans gearbeitet hatten, der den Planeten vor 4 Milliarden Jahren bedeckte. Dies war eine sauerstofffreie Welt, eine Zeit vor der Photosynthese, bei der das Wasser reich an Eisen wie auch anderen Metallen und Phosphat war. Alle diese Substanzen könnten möglicherweise chemische Reaktionen erleichtern wie die, die die in modernen Zellen zu beobachten sind.

Das Rückgrat des Stofwechsels

Ralser's Team nahm Lösungen des Urozeans und gaben Stoffe, die dafür bekannt sind, dass sie Ausgangspunkte für moderne Stoffwechselwege sind, hinzu, bevor sie die Proben für 5 Stunden auf 50˚C bis 70˚C erhitzten - die Art von Temperaturen, die wahrscheinlich in der Nähe einer hydrothermalen Quelle herrschen. Ralser analysierte dann die Lösungen, um zu sehen, welche Moleküle vorhanden waren.

"Am Anfang hatten wir gehofft, eine oder vielleicht zwei Reaktionen zu finden, aber die Ergebnisse waren erstaunlich", sagt Ralser. "Wir konnten zwei Stoffwechselwege fast vollständig rekonstruieren."

Die Wege, die sie aufspürten, waren Glykolyse und der Pentosephosphatweg, "Reaktionen, die das Rückgrat des Kernstoffwechsels jeder lebenden Zelle bilden", fügt Ralser hinzu. Zusammen produzieren diese Wege einige der wichtigsten Materialien in modernen Zellen, einschließlich ATP - das Molekül, das Zellen nutzen, um ihre Abläufe anzutreiben sowie die Zuckerarten, die DNA und RNA bilden und die Moleküle, die benötigt werden, um Fette und Proteine herzustellen.

Wenn diese Stoffwechselwege in den frühen Meeren vorkamen, dann könnten die ersten Zellen sie übernommen haben, als sie Membranen entwickelten.

Insgesamt wurden 29 stoffwechselähnliche chemische Reaktionen entdeckt, scheinbar katalysiert durch Eisen und andere Metalle, die sich in frühen Ozeansedimenten befunden hätten. Die Stoffwechselwege sind nicht identisch mit neuzeitlichen; einige der Chemikalien, die durch Zwischenschritte entstehen, wurden nicht nachgewiesen. Doch "wenn man sie nebeneinander vergleicht, ist es die gleiche Struktur, und es werden viele der gleichen Moleküle gebildet", sagt Ralser. Diese Wege könnten sich verfeinert und verbessert haben, sobald sich in den Zellen Enzyme entwickelten.

Reversible Reaktion

Insbesondere das Aufspüren des Stoffwechselproduktes Ribose-5-Phosphat ist bemerkenswert, sagt Ralser. Und zwar, weil es ein Vorläufer von RNA ist, welche Informationen codiert, chemische Reaktionen katalysiert und, was bei weitem am wichtigsten ist, sich replizieren kann.

"Ich denke, diese Arbeit beinhaltet wirklich interessante Vorstellungen für den Ursprung des Lebens", sagt Matthew Powner vom University College London. Sie deutet an, wie sich komplexere Enzyme entwickelt haben könnten, sagt er, weil Substanzen, die diese frühen Prozesse effizienter machten, hierfür ausgewählt würden.

Es gibt jedoch ein großes Problem. "Für die Entstehung des Lebens ist es wichtig zu verstehen, wo die Ausgangsmoleküle herkommen", sagt Powner. Bisher hat niemand gezeigt, dass sich solche Substanzen spontan in den frühen Ozeanen bilden könnten.

Ein ähnliches Problem ist, dass die beobachteten Reaktionen bisher nur in eine Richtung laufen; von komplexen Zuckern zu einfacheren Moleküle wie Pyruvat. "Angesichts der Daten, könnte man auch schließen, dass alle organischen Stoffe im Ozean sich total abgebaut hätten, anstatt die Grundlage des modernen Stoffwechsels zu bilden", sagt Jack Szostak, der den Ursprung des Lebens in Harvard studiert. "Ich würde daraus schließen, dass der Stoffwechsel sich innerhalb von Zellen entwickeln musste, eine Reaktion und ein Katalysator nach dem anderen."

Aber Ralser widerspricht dem. Seiner Meinung nach führt die Reaktion, ob durch ein Enzym oder durch ein Molekül im Urozean katalysiert, zum gleichen Ergebnis: "Jede chemische Reaktion ist prinzipiell reversibel, egal ob ein Enzym oder ein einfaches Molekül der Katalysator ist", sagt er.

Vielen Dank an Ralf von „Die Atheisten“ für die Übersetzung, die wir mit freundlicher Genehmigung  verwenden durften: https://www.facebook.com/datheisten