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Entstehung von RNA

Der Ursprung des Erbgut-Alphabets

| Redakteur: Christian Lüttmann

Kochrezept für die Ursuppe: Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben die präbiotischen Bedingungen der urzeitlichen Erde im Experiment nachgestellt. So rekonstruierten sie einen möglichen Syntheseweg für die Nukleinbasen, die Vorläufer der RNA.

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Auf geothermalen Feldern wie im Yellowstone-Nationalpark könnten auf der Ur-Erde erste RNA-Moleküle, die Vorboten des Lebens, entstanden sein.
Auf geothermalen Feldern wie im Yellowstone-Nationalpark könnten auf der Ur-Erde erste RNA-Moleküle, die Vorboten des Lebens, entstanden sein.
(Bild: gemeinfrei, Steppinstars / Pixabay)

München – Die Evolution hat eine Vorgeschichte: Bevor sich auf dem damals noch jungen Planeten das Leben formen konnte, müssen vor gut vier Milliarden Jahren die ersten einfachen Bausteine entstanden sein, die seine Entstehung in Gang setzten. Sie fügten sich zu komplexeren informationstragenden Einheiten zusammen, die sich selbst vervielfältigen und heute die Basis des Lebens auf der Erde sind. Doch unter welchen Bedingungen und auf welchem Wege könnten solche Bausteine – Vorläufer des heutigen Erbmaterials – entstanden sein?

Wissenschaftler um den LMU-Chemiker Professor Thomas Carell haben nun in ihrer aktuellen Arbeit einen weiteren, wichtigen Schritt in dieser chemischen Evolution erklärt: Sie haben gezeigt, wie aus der Ur-Erde die vier verschiedenen Buchstaben des Erbgut-Alphabets aus simplen Vorläufermolekülen entstehen konnten.

Die Ursuppe im Labor

Carell und sein Team schlagen eine Kaskade chemischer Reaktionen vor, in der die vier verschiedenen Bausteine des Erbmoleküls RNA allesamt unter identischen präbiotischen Bedingungen entstehen können. Ein solcher Ansatz wird auch als „Ursuppe“ bezeichnet, in der die Bausteine des Lebens sozusagen zusammen in einem Topf gekocht wurden.

Bislang gab es zu der Ursuppen-Theorie zwei konkurrierende Modelle, die unterschiedliche geochemische Settings auf der frühen Erde voraussetzten. Eines führt zum Bau der so genannten Pyrimidine, der Buchstaben C (Cytosin) und U (Uracil) im RNA-Alphabet, das andere zu den Purinen Adenin und Guanin. Den Reaktionsweg zu diesen Purinen hatte Carells Team schon in einer früheren Arbeit beschrieben. Jetzt haben die Münchner Chemiker die Synthese dieser RNA-Bausteine unter präbiotischen Bedingungen in einer „Labor-Ursuppe“ experimentell nachgestellt.

Einfachste Zutaten und Antriebskräfte

Im Versuch reichten einfachste chemische Zutaten und Reaktionsbedingungen, um die Synthese so genannter Nukleoside, der direkten Vorstufen für die Purine und Pyrimidine, über eine ganze Reihe von Reaktionsschritten in Gang zu halten. Die Bedingungen könnten so oder so ähnlich auch vor Millionen von Jahren auf der Erde zu finden gewesen sein, etwa auf geothermalen Feldern mit vulkanischer Aktivität im Untergrund oder aber auch in flachen Teichen.

Ausgangsstoffe in den Versuchen, die die präbiotischen Bedingungen nachstellen sollten, waren einfache Substanzen wie Ammoniak, Harnstoff und Ameisensäure. Auch brauchte es Salze wie Nitrite und Carbonate sowie Metalle wie Eisen und Zink, die in großen Mengen in der Erdkruste vorhanden sind. Angetrieben wurde die Kette der chemischen Reaktionen lediglich von Nass-Trocken-Zyklen, wie sie durch hydrothermale Quellen oder auch Dürre- beziehungsweise Regenperioden entstehen können.

Komplexität trotz begrenzter Reaktionsbedingungen

Laut Studienleiter Carell sind die Ergebnisse ein großer Erfolg. Interessant sei, wie vergleichsweise homogen die Reaktionsbedingungen für die einzelnen Schritte der Synthese waren. Es reichten schon geringe Fluktuationen physikalischer Parameter wie eine leichte Erwärmung beziehungsweise Abkühlung oder der Wechsel zwischen einem leicht sauren und einem leicht basischen Reaktionsmilieu, um den Zusammenbau der RNA-Buchstaben zu ermöglichen. „Es gibt wenige komplexe Moleküle, die sich in so engen Reaktionsbändern herstellen lassen“, sagt der LMU-Chemiker. Solche einfachen Rahmenbedingungen, so folgert er, ließen es umso plausibler erscheinen, dass diese Reaktionskaskaden und damit ein entscheidender Schritt der chemischen Evolution auf der frühen Erde haben stattfinden können.

Originalpublikation: Sidney Becker, Jonas Feldmann, Stefan Wiedemann, Hidenori Okamura, Christina Schneider, Katharina Iwan, Antony Crisp, Martin Rossa, Tynchtyk Amatov, Thomas Carell: Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides, Science 04 Oct 2019, Vol. 366, Issue 6461, pp. 76-82, DOI: 10.1126/science.aax2747

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