Forschung zur Entstehung des Lebens Proto-Gene? – An der Schwelle zu den Bausteinen des Lebens

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Auf der jungen Erde haben sich vermutlich aus einfachen molekularen Bausteinen komplexere Verbindungen zusammengesetzt, etwa die Erbgut-Moleküle RNA und DNA, in denen der genetische Code des Lebens programmiert ist. Doch möglicherweise gab es zuvor schon ein anderes Code-System: eine Art Vorläufer-Gen, das Moleküle zusammenlagerte und in der „Ursuppe“ aufkonzentrierte. Die Hypothese solcher Proto-Gene haben Forscher der ETH Zürich untersucht.

Wie aus unbelebter Materie Organismen entstehen, gehört zu den großen Fragen der Wissenschaft. Zwar gibt es dafür viele Erklärungsansätze, aber keine endgültigen Antworten. Schließlich haben sich diese Vorgänge sich vor drei bis vier Milliarden Jahren abgespielt, als auf der Erde völlig andere Bedingungen als heute herrschten.

„In diesem riesigen Zeitraum hat die Evolution die Spuren, die zu den Ursprüngen des Lebens zurückführen, gründlich verwischt“, sagt Roland Riek, Professor für physikalische Chemie und Mitglied des Leitungsteams des neuen interdisziplinären „Centre for Origin and Prevalence of Life“ an der ETH Zürich. Der Wissenschaft bleibt daher nichts anderes übrig, als Hypothesen aufzustellen – und diese so gut wie möglich mit experimentellen Daten zu begründen.

Moleküle entstehen, vermehren sich und können DNA binden

Riek und sein Team verfolgen schon seit Jahren die Idee, dass proteinähnliche Aggregate – so genannte Amyloide – eine wichtige Rolle am Übergang zwischen Chemie und Biologie gespielt haben könnten. Zuerst hatte Rieks Forschungsgruppe nachgewiesen, dass solche Amyloide unter den Bedingungen, wie sie auf der frühen Erde geherrscht haben dürften, relativ einfach entstehen können: Im Labor braucht es nur etwas Vulkangas (sowie experimentelles Geschick und viel Geduld), damit sich einfache Aminosäuren zu kurzen Peptidketten verbinden, die sich daraufhin spontan zu Fasern aneinanderlagern.

Später zeigte das Team, dass sich Amyloide selber vervielfältigen können – womit die Moleküle ein weiteres entscheidendes Kriterium erfüllen, um als Vorläufermoleküle des Lebens zu gelten. Und nun zeigen die Forschenden mit ihrer aktuellen, dass Amyloide in der Lage sind, die Erbgutmoleküle RNA und DNA an sich zu binden.

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Proto-Gene aus Molekül-Aggregaten?

Diese Wechselwirkungen zwischen Amyloiden und den Erbgutmolekülen beruhen zum Teil auf elektrostatischer Anziehung, denn einige Amyloide sind – zumindest stellenweise – positiv geladen, während die Erbsubstanz negativ geladen ist, jedenfalls in einer neutralen bis leicht sauren Umgebung. Doch Riek und sein Team haben bemerkt, dass die Wechselwirkungen auch von der Abfolge der RNA- und DNA-Bausteine in der Erbsubstanz abhängen. Dies könnte also eine Art Vorstufe des universellen genetischen Codes darstellen, der alle Lebewesen miteinander vereint.

Kooperative Evolution unter Molekülen

Doch noch bleiben offene Fragen. „Wir sehen zwar Unterschiede in der Bindung der RNA- und DNA-Moleküle an die Amyloide, verstehen aber noch nicht, was diese Unterschiede bedeuten“, sagt Riek. „Unser Modell ist wahrscheinlich noch zu einfach.“ Für ihn sind die Resultate deshalb vor allem aus einem weiteren Grund von Bedeutung: Wenn sich die Erbsubstanz an Amyloide heftet, gewinnen beide Moleküle gegenseitig an Stabilität. Diese erhöhte Stabilität dürfte sich auf der frühen Erde als großer Vorteil erwiesen haben.

Denn in der so genannten Ursuppe damals waren biochemische Moleküle sehr stark verdünnt. Im Vergleich dazu sind diese Moleküle in heutigen biologischen Zellen dicht aufeinander gepackt. „Amyloide haben erwiesenermaßen das Potenzial, die lokale Konzentration und die Ordnung von RNA- und DNA-Bausteinen in einem ansonsten verdünnten, ungeordneten System zu erhöhen“, schreiben die Forschenden in ihrem kürzlich veröffentlichten Fachartikel.

Im Gespräch weist der ETH-Professor darauf hin, dass bei Darwins Evolutionstheorie zwar der Konkurrenzkampf im Zentrum steht, in der Evolution jedoch auch die Kooperation einen großen Stellenwert hatte. Von der stabilisierenden Wechselwirkung zwischen Amyloiden und RNA- oder DNA-Molekülen profitieren beide Molekülklassen, weil sich langlebige Moleküle über die Zeit stärker anreichern als unbeständige Substanzen. So dürfte bei der Entstehung des Lebens vielleicht sogar vielmehr die molekulare Kooperation als die Konkurrenz ausschlaggebend gewesen sein. „Denn Platz und auch Ressourcen gab es damals wohl mehr als genug“, sagt Riek.

Originalpublikation: Rout SK, Cadalbert R, Schröder N, Wang J, Zehnder J, Gampp O, Wiegand T, Güntert P, Klingler D, Kreutz C, Knörlein A, Hall J, Greenwald J, and Riek R.: An Analysis of Nucleotide-Amyloid Interactions Reveals Selective Binding to Codon-Sized RNA, Journal of the American Chemical Society 2023, 145: 21915; DOI: 10.1021/jacs.3c06287

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