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Neuer Weg zur Basenpaarung bei DNS gezeigt Schmiede des Lebens: Schweißten Kraft und Hitze die Gene zusammen?

| Redakteur: Christian Lüttmann

Wie konnte aus losen Molekülbausteinen ein so komplexes Molekül wie die DNS entstehen? Die Suche nach den Ursprüngen des Lebens beschäftigt Forscher bis heute. Nun haben Wissenschaftler vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY untersucht, ob sich allein durch Mahlkraft und Hitze die Nukleinbasen unseres genetischen Speichermoleküls zusammenlagern.

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Künstlerische Darstellung der jungen Erde
Künstlerische Darstellung der jungen Erde
(Bild: BENNU’S JOURNEY - Early Earth / BENNU’S JOURNEY - Early Earth / NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab / CC BY 2.0 / CC BY 2.0)

Hamburg – Auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens hat ein Forschungsteam mithilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III einen alternativen Pfad aufgezeigt, wie das typische Muster des Erbgutmoleküls entstanden sein könnte: Seine charakteristischen Basenpaare können sich demnach auf rein thermischem Weg durch Erhitzen ohne Wasser oder andere Lösungsmittel zusammenfinden.

„Eine der faszinierendsten Fragen bei der Fahndung nach dem Ursprung des Lebens ist, wie die chemische Auswahl stattgefunden hat und sich die ersten Biomoleküle gebildet haben“, sagt Hauptautor Tomislav Stolar vom Ruđer-Bošković-Institut in Zagreb. Während die Zellen von Lebewesen die Produktion bestimmter Biomoleküle mit ihrer komplexen Maschinerie gezielt steuern, sind die ersten molekularen und supramolekularen Bausteine des Lebens vermutlich auf rein chemischem Weg und ohne Katalysatoren entstanden. Für ihre Arbeit haben die Wissenschaftler nun die Entstehung der Nukleinbasen-Paare in der Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. in der englischen Bezeichnung: DNA) untersucht.

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AC und GT – Paare fürs Leben

Unser Erbgut ist in der DNS als lange Abfolge von vier Buchstaben gespeichert, die von den Nukleinbasen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) gebildet werden. Der genetische Code ist in zwei langen, komplementären Strängen abgelegt, die sich in der bekannten Doppelhelix-Struktur umeinanderwinden. In der DNS-Doppelhelix steht jeder Nukleinbase ihr komplementärer Partner im jeweils anderen Strang gegenüber: Adenin bildet ein Paar mit Thymin und Cytosin mit Guanin.

„In der DNS kommen nur spezifische Kombinationen vor, und wenn die Nukleinbasen isoliert werden, mögen sie überhaupt nicht mehr aneinander binden. Wieso hat die Natur also gerade diese Basenpaare ausgewählt?“, fragt Stolar. Nach der Aufklärung der Doppelhelix-Strukur der DNS durch James Watson und Francis Crick 1953 versuchten sich zahlreiche Experimente an der Paarbildung der Nukleinbasen, allerdings mit überraschend geringem Erfolg trotz präbiotisch plausiblen Bedingungen.

Methylierte Nukleinbasen untersucht

Die DESY-Forscher haben deshalb einen etwas anderen, weniger biologischen Weg beschritten. „Wir haben versucht herauszufinden, ob sich die Basenpaare durch mechanische Energie oder einfache Wärmezufuhr erzeugen lassen“, sagt Ko-Autor Martin Etter.

Das Team untersuchte dazu die so genannten methylierten Formen der Nukleinbasen. Die angehängte Methylgruppe (-CH3) erlaubt es den Nukleinbasen im Prinzip, Wasserstoffbindungen an der Watson-Crick-Seite des Moleküls auszubilden. Methylierte Nukleinbasen kommen auch in zahlreichen lebenden Organismus vor und haben dort verschiedene biologische Funktionen.

Erst mahlen, dann einheizen

Im Labor versuchten die Wissenschaftler zunächst, Nukleinbasenpaare durch mechanisches Mahlen herzustellen. Dazu füllten sie je zwei Nukleinbasen als Pulver in einen Mahlbecher, in dem zwei Stahlkugeln als Mahlwerkzeuge dienten. Zum Mahlen wird der Becher dann auf kontrollierte Weise geschüttelt. Dabei entstanden A:T-Paare, die auch in früheren Experimenten anderer Forscher bereits beobachtet worden waren. Das reine Mahlen führte allerdings nicht zur Bildung von G:C-Paaren.

In einem zweiten Schritt erhitzten die Forscher die gemahlenen Cytosin- und Guanin-Pulver. „Tatsächlich konnten wir bei etwa 200 °C die Entstehung von Cytosin-Guanin-Paaren beobachten“, sagt Studienleiter Stolar. Um zu testen, ob die Basen unter thermischen Bedingungen nur so aneinander binden, wie es von der DNS bekannt ist, wiederholte das Team die Versuche mit Gemischen aus drei und allen vier Nukleinbasen Dabei beobachteten sie die detaillierte molekulare Struktur der Gemische. Auf diese Weise konnte das Team verfolgen, ob und welche neuen Verbindungen sich während des Erhitzens bildeten.

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Paarung bei hundert Grad Celsius

Das Ergebnis der Analysen: „Bei ungefähr 100 °C konnten wir die Entstehung von Adenin-Thymin-Paaren beobachten, bei rund 200 °C von Guanin-Cytosin-Paaren“, sagt Etter, der auch die Messstation leitet. „Andere Basenpaare entstanden auch bei weiterem Erhitzen bis zum Schmelzen nicht.“ Die durch Wärmezufuhr erreichte Reaktion besitzt also dieselbe Selektivität, wie sie auch in der DNS zu beobachten ist.

„Unsere Ergebnisse zeigen eine mögliche alternative Route, wie die molekularen Erkennungsmuster entstanden sein könnten, die wir in der DNS beobachten“, ergänzt Stolar. „Die Bedingungen des Experiments sind für die junge Erde nicht unrealistisch, die eine heiße, brodelnde Hexenküche mit Vulkanen, Erdbeben, Meteoriteneinschlägen und allen möglichen weiteren Ereignissen war. Unsere Resultate eröffnen viele neue Wege für die Suche nach dem chemischen Ursprung des Lebens.“ Das Team will diese Route mit Folgeexperimenten erkunden, die bereits in Planung sind.

Originalpublikation: Tomislav Stolar, Stipe Lukin, Martin Etter, Maša Rajić Linarić, Krunoslav Užarević, Ernest Meštrović and Ivan Halasz: DNA-specific selectivity in pairing of model nucleobases in the solid state, Chemical Communications, 2020; DOI: 10.1039/D0CC03491F

(ID:46901522)