Ursprung des DNA-Moleküls Nahm das Leben den einfachen Reaktionsweg?

Die Entstehung des Lebens auf der Erde steckt noch immer voller Geheimnisse. So ist z.B. der Ursprung der DNA-Moleküle nicht abschließend geklärt. Nahm man lange Zeit an, dass erst ein Enzym die Bildung dieses komplexen Moleküls ermöglicht hatte, haben nun Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München eine alternative Theorie vorgeschlagen – und werfen damit neues Licht auf die Entstehungsgeschichte des Lebens.

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Ludwig-Maximilians- Universität München

München – Wie kam das Leben auf die Erde? Es ist die eine Frage, die sich bislang allenfalls in Teilen beantworten lässt. So viel ist klar: Vor der biologischen Evolution, die die Vielfalt des Lebens auf dem Planeten hat entstehen lassen, muss es eine chemische Evolution gegeben haben. Aus einfachen Vorläufermolekülen, die unter den präbiotischen Bedingungen auf der frühen Erde leicht verfügbar waren, haben sich zufällig die ersten Moleküle bilden können: Komplexere chemische Verbindungen, die Informationen speichern und sich selbst vervielfältigen konnten – und in der Folge zum evolutionären Erfolgsmodell wurden.

RNA war zuerst da – oder doch nicht?

Seit Jahrmilliarden arbeitet die Natur vor allem mit dem Großmolekül DNA; in dem genetische Information in der Abfolge von vier verschiedenen Nukleinbasen in langen Doppelsträngen gespeichert sind. Daneben gibt es die in ihrem Aufbau eng verwandte RNA, die zwar meist nur als Einzelstrang vorliegt, aber ebenfalls wichtige Funktionen etwa bei der Vervielfältigung der Erbinformation hat.

Doch welche der beiden Molekülarten war zuerst da? Klare Sache, die RNA, hieß es bisher; für sie ließ sich bereits vor Jahrzehnten erklären, aus welchen einfachen Vorläufermolekülen sie in einem präbiotischen Setting womöglich entstanden ist. Doch wie ist danach die DNA entstanden? Die gängige Vermutung ist, dass die Natur dafür erst in Jahrmillionen ein geeignetes Enzym hat hervorbringen müssen, das beim Zusammenbau der DNA geholfen hat.

Der direkte Entstehungsweg: Zufällig und möglichst einfach

Nun hat ein Team von Chemikern um Professor Oliver Trapp von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) einen direkten Weg gefunden, der die Entstehung von DNA erklären könnte. Die Wissenschaftler schlagen einen Mechanismus vor, nach dem sich aus einfachen Bausteinen im präbiotischen Setting DNA-Moleküle haben bilden können. Der Reaktionsweg ist vergleichsweise einfach, sagt Trapp, sodass es nicht unwahrscheinlich ist, dass er auch wirklich zufällig hat ablaufen können – ohne schwer erklärbare Wechsel der Temperatur und anderer Reaktionsbedingungen.

Bei seinen Experimenten reichten Wasser, vielleicht leicht alkalisches Milieu, und realistische Temperaturen zwischen 40 und 70 Grad Celsius als Reaktionsumgebung. Dann waren die Synthesegeschwindigkeiten und die Ausbeute hinreichend und die Produkte entstanden mit hoher Selektivität in der richtigen räumlichen Anordnung.

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DNA und RNA gleich alt?

Grundsätzlich bestehen DNA-Bausteine aus einer so genannten Nukleobase und einem Zucker, der Desoxyribose. Bisher hat sich die Fachwelt darauf festgelegt, dass eine Synthese auch unter präbiotischen Bedingungen genau eine Kopplung dieser beiden Komponenten voraussetzt. Doch niemandem ist es bisher gelungen, nachzuweisen, wie das auf der frühen Erde hätte gelingen können – eben ohne die Hilfe eines Enzyms.

Der Clou des neuen Ansatzes, so erklärt Trapp, liegt darin, dass sich der Zucker nicht an die Nukleobase koppelt, sondern daran in wenigen Reaktionsschritten aufgebaut wird – mit einfachen Molekülen wie Acetaldehyd und Glycerinaldehyd. Außerdem identifizierten die Forscher eine weitere Familie von möglichen Vorläufern der DNA-Bausteine. Bei ihnen ist die Desoxyribose durch einen anderen Zucker ersetzt.

Die Ergebnisse legten nahe, so sagen die LMU-Wissenschaftler, dass die ersten DNA-Moleküle parallel zur RNA entstehen konnten – vor knapp vier Milliarden Jahren und damit etwa 400 Millionen Jahre früher als bislang angenommen.

Originalpublikation: Oliver Trapp, Jennifer Teichert, Florian Kruse: Direct Prebiotic Pathway to DNA Nucleosides, Angewandte Chemie, 26 May 2019; DOI: 10.1002/anie.201903400

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