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Ein Schlüsselphänomen für die Entstehung des Lebens? Moleküle in der Tröpfchen-Garage

| Autor/ Redakteur: Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Wie entstand aus dem Chemie-Cocktail der Ursuppe das Leben? Der Beantwortung dieser Frage kamen nun Forscher der Technischen Universität München einen Schritt näher. Sie untersuchten die selbstständige Trennung zwischen öligen und wässrigen Phasen und zeigten erstmals: Dieser einfache Mechanismus ist ein effizienter Weg, um bestimmte Moleküle zu stabilisieren. So könnten instabile Verbindungen länger für Reaktionen bei der Entstehung des Lebens verfügbar gewesen sein.

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Wenn sich Anhydride im Wasser zu feinsten Öltröpchen zusammenschließen, wird aus einer klaren Lösung eine milchig trübe Lösung.
Wenn sich Anhydride im Wasser zu feinsten Öltröpchen zusammenschließen, wird aus einer klaren Lösung eine milchig trübe Lösung.
(Bild: Andreas Battenberg / TUM)

München – Leben braucht Kraftstoff. Ohne Energie können sich Zellen weder bewegen noch teilen, nicht einmal grundlegende Funktionen wie die Produktion einfacher Eiweiße ließe sich aufrechterhalten. Fehlt Energie, zerfallen komplexere Verbindungen. Frühes Leben würde schnell wieder verlöschen.

Forschern der TU München ist es nun gelungen, mit der so genannten Phasentrennung einen Mechanismus zu finden, der extrem instabilen Molekülen ein höheres Maß an Stabilität ermöglicht. Dies könnte auch für chemische Verbindungen relevant sein, wie sie in der Ursuppe vorzufinden waren, vermuten die Forscher: Die Moleküle konnten länger überleben, auch wenn sie eine Periode ohne Energiezufuhr von außen überstehen mussten.

Einfache Anfänge

Das Team um Prof. Dr. Job Boekhoven vom Lehrstuhl für Supramolekulare Chemie suchte nach einem einfachen Mechanismus mit primitiven Molekülen, um lebensähnliche Eigenschaften erzeugen zu können. „Sehr wahrscheinlich waren die Moleküle in der Ursuppe auch einfach“, sagt Boekhoven. Zur Untersuchung wählte das Forschungsteam eine Reaktion zwischen verschiedenen Carbonsäuremolekülen und Carbodiimiden – energiereiche Verbindungen, die mit den Carbonsäuren reagieren.

Bei der Reaktion entstehen instabile Anhydride, die schnell wieder in Carbonsäuren zerfallen. Doch der Zerfall läuft nicht überall gleich ab: Die Wissenschaftler zeigten, dass diejenigen Anhydride am längsten überlebten, die eine Art Öltröpfchen in wässriger Umgebung bilden konnten.

Tropfenbildung als Zerfallschutz

Den Effekt der Tröpfchenbildung sieht man auch äußerlich: Die anfänglich klare Lösung wird milchig. Der Wassermangel in den Öltröpfchen ist wie ein Schutz. Denn um wieder in Carbonsäuren zerfallen zu können, brauchen Anhydride Wasser.

„Stellen Sie sich ein altes, rostiges Auto vor: Lassen Sie es draußen im Regen, rostet es weiter und zerfällt, denn Rosten ist eine Reaktion die von Wasser beschleunigt wird. Stellt man es in die Garage, hört es auf zu rosten, weil man es physisch vom Regen trennt“, erklärt Boekhoven die Schutzwirkung der Öltröpfchen.

Ein ähnlicher Prozess tritt im Ursuppen-Experiment auf: Anstelle der Garage treten die Öltröpfchen. Sie bestehen aus den langkettigen Anhydrid-Molekülen und enthalten kein Wasser, so dass die Überlebenszeit der Anhydride länger ist. Konkurrieren die Moleküle miteinander um Energie, überdauern eher diejenigen, die sich selbst schützen können, indem sie Öltröpfchen bilden.

Selbstschutz auch für DNA?

Da der Mechanismus der Phasentrennung so einfach ist, lässt er sich möglicherweise auf Molekülansammlungen mit lebensähnlichen Eigenschaften wie DNA, RNA oder sich selbst teilende Bläschen erweitern. Studien zeigen, dass sich diese Bläschen spontan teilen können.

„Als nächstes hoffen wir, aus der primitiven Chemie einen selbstreplizierenden Informationsträger zu schaffen, der bis zu einem gewissen Grad vor Zerfall geschützt ist“, so Boekhoven.

Originalpublikation: Marta Tena-Solsona, Caren Wanzke, Benedikt Riess, Andreas R. Bausch, Job Boekhoven: Self-selection of dissipative assemblies driven by primitive chemical reaction networks. Nature Communications, May 23, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04488-y

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 80333 München

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