Komplexe Reaktionen unter primitivsten Bedingungen Chemie vom Ursprung des Lebens: Gesteinsporen als Starter?

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Ludwig-Maximilians- Universität München

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Womöglich fand das Leben seinen Anfang in porösen Felsen: Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben in Experimenten gezeigt, dass ein vollständiger Replikationszyklus von DNA in einer wassergefüllten Gesteinspore plausibel ist – allein durch Strömungseffekte und Konzentrationsänderungen

Die Entstehung des Lebens auf der Erde ist noch immer ein Rätsel, aber eine gängige Theorie besagt, dass die Replikation genetischen Materials – der Nukleinsäuren DNA und RNA – ein zentraler und entscheidender Prozess war. RNA-Moleküle können genetische Information speichern und sich durch die Bildung doppelsträngiger Helices selbst replizieren. Die Kombination dieser Fähigkeiten ermöglicht es ihnen, zu mutieren, sich weiterzuentwickeln, sich an verschiedene Umgebungen anzupassen und schließlich die Proteinbausteine des Lebens zu kodieren. Dazu müssen sich die RNA-Stränge nicht nur zu einem Doppelstrang replizieren, sondern auch wieder trennen, um den Replikationszyklus abzuschließen. Die Trennung der Stränge ist jedoch angesichts der hohen Salz- und Nukleinsäurekonzentrationen, die für die Replikation erforderlich sind, eine schwierige Aufgabe.

Eine Gruppe von LMU-Forschern hat nun geologische Reaktionsbedingungen identifiziert, die die Entstehung des Lebens auf der Erde ausgelöst haben könnten. Eine einfache geophysikalische Umgebung – ein Gasfluss durch einen engen Wasserkanal – kann demnach eine physikalische Umgebung schaffen, die zur Replikation von Nukleinsäuren führt.

Verbinden und Trennen von DNA auf einfachste Weise

„Bislang wurden verschiedene Mechanismen auf ihr Potenzial untersucht, die DNA-Stränge am Ursprung des Lebens zu trennen. Aber all diese Mechanismen erfordern Temperaturänderungen, die zum Abbau der Nukleinsäuren führen würden“, sagt Hauptautor Philipp Schwintek, Doktorand der Systembiophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. „Wir haben ein einfaches Szenario untersucht, das in der Geologie allgegenwärtig ist: Wasser, das durch eine Gesteinspore fließt, wird durch ein Gas getrocknet, das durch das Gestein strömt und an die Oberfläche gelangt. Ein solches Szenario wäre auf den vulkanischen Inseln der frühen Erde, die die für die RNA-Synthese notwendigen trockenen Bedingungen boten, sehr häufig gewesen.“

Das Team baute ein Labormodell der Gesteinspore mit einem nach oben gerichteten Wasserstrom. Dieser Wasserstrom verdampft an einer Kreuzung mit einem vertikalen Gasfluss, was zu einer Ansammlung gelöster Moleküle an der Oberfläche führt. Gleichzeitig erzeugt der Gasfluss eine kreisförmige Strömung im Wasser, die die Moleküle zurück in das Innere der Pore treibt. Um zu verstehen, wie sich dieses Modell auf die Nukleinsäuren in der Umgebung auswirkt, beobachteten die Forscher die Dynamik des Wasserflusses mithilfe von kleinen Kügelchen und verfolgten dann die Bewegung von kurzen, fluoreszenzmarkierten DNA-Fragmenten.

Entstehung des Lebens

Gesucht: Stabilitätsformel der ersten Biomoleküle

Verdreifachung der DNA-Stränge innerhalb von fünf Minuten

„Wir hatten erwartet, dass eine kontinuierliche Verdunstung zu einer Anhäufung von DNA-Strängen an der Grenzfläche führen würde“, sagt Schwintek. „Tatsächlich stellten wir fest, dass das Wasser an der Grenzfläche kontinuierlich verdunstete, die Nukleinsäuren in der wässrigen Oberfläche sich aber in der Nähe der Gas-Wasser-Grenzfläche ansammelten.“ Innerhalb von fünf Minuten nach Beginn des Experiments hatten sich die DNA-Stränge verdreifacht, während sich nach einer Stunde 30-mal so viele DNA-Stränge an der Grenzfläche angesammelt hatten.

Dies deutet darauf hin, dass die Gas-Wasser-Grenzfläche eine ausreichende Konzentration von Nukleinsäuren für die Replikation ermöglicht. Jedoch müssen die doppelten DNA-Stränge auch getrennt werden, um einen vollen Replikationszyklus abzuschließen. Dazu ist normalerweise eine Temperaturänderung notwendig oder – bei konstanter Temperatur – eine Änderung der Salzkonzentration.

Scannen von DNA-Strängen und Salzkonzentration

Wie lässt sich die beobachtete DNA-Vervielfältigung erklären? Hierzu entwickelten die Forscher einen Versuchsaufbau. „Wir stellten die Hypothese auf, dass die kreisförmige Flüssigkeitsströmung an der Grenzfläche, die durch den Gasfluss erzeugt wird, zusammen mit passiver Diffusion die Strangtrennung vorantreibt, indem sie die Nukleinsäuren durch Bereiche unterschiedlicher Salzkonzentration zwingt“, erklärt Erstautor Dieter Braun, Professor für Systembiophysik an der LMU und Mitglied im Exzellenzcluster Origins.

Um dies zu testen, verwendeten die Wissenschaftler die so genannte FRET-Spektroskopie (Kurzform für Förster-Resonanzenergietransfer-Spektroskopie), um die Trennung der DNA-Stränge zu messen: Ein hohes FRET-Signal zeigt an, dass die DNA-Stränge noch verbunden sind, während ein niedriges FRET-Signal anzeigt, dass die Stränge getrennt sind. Wie erwartet, stieg das FRET-Signal zunächst in der Nähe der Gas-Wasser-Grenzfläche an, was auf die Bildung doppelsträngiger DNA hinweist.

Im weiteren Verlauf des Experiments, als das Wasser nach oben strömte, war das FRET-Signal jedoch schwach – ein Hinweis auf einzelsträngige DNA. Als die Forscher diese Daten mit ihrer Simulation des Wasserflusses und der Salzkonzentration überlagerten, stellten sie außerdem fest, dass der Wirbel an der Gas-Wasser-Grenzfläche Veränderungen bis zum Dreifachen der Salzkonzentration verursachte, was möglicherweise zur Strangtrennung führen könnte.

Ordnung in der prebiotischen Molekularküche

Am Anfang war der Wärmefluss: Startbedingungen des Lebens erforscht

Strömungseffekte statt Temperaturänderung

Obwohl sich Nukleinsäuren und Salze in der Nähe der Gas-Wasser-Grenzfläche anreicherten, blieben die Konzentrationen von Salz und Nukleinsäuren in der Masse des Wassers verschwindend gering. Dies veranlasste das Team, zu testen, ob die Replikation von Nukleinsäuren tatsächlich in dieser Umgebung stattfinden kann, indem sie mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte Nukleinsäuren und ein Enzym, das doppelsträngige DNA synthetisieren kann, in das Labormodell der Gesteinspore gaben.

Dieses Enzym erfordert jedoch, dass die DNA-Stränge nach jedem Kopiervorgang erneut getrennt werden, da es diesen Schritt nicht selbst durchführt. Normalerweise wird die Temperatur dazu kurzzeitig stark erhöht, um die Stränge zu trennen. In diesem Experiment wurde die Temperatur jedoch konstant gehalten und die Reaktion stattdessen dem kombinierten Wasser- und Gaszufluss ausgesetzt.

Nach zwei Stunden hatte das Fluoreszenzsignal zugenommen, was auf eine erhöhte Anzahl replizierter doppelsträngiger DNA-Moleküle hindeutete. Wurden jedoch Gas und Wasser abgestellt, war keine Zunahme des Fluoreszenzsignals und damit auch keine Zunahme der doppelsträngigen DNA zu beobachten.

Fazit

„In dieser Arbeit haben wir ein plausibles und reichhaltiges geologisches Milieu untersucht, das die Replikation frühen Lebens ausgelöst haben könnte“, fasst Erstautor Braun zusammen. „Wir betrachteten eine Umgebung, in der Gas über eine offene, mit Wasser gefüllte Gesteinspore strömt, ohne dass sich die Temperatur ändert, und fanden heraus, dass die kombinierte Strömung von Gas und Wasser Salzschwankungen auslösen kann, die die DNA-Replikation unterstützen. Da es sich um eine sehr einfache Geometrie handelt, erweitern unsere Ergebnisse das Repertoire möglicher Umgebungen, die eine Replikation auf frühen Planeten ermöglichen könnten, beträchtlich.“

Literatur

Originalpublikation: Philipp Schwintek, Emre Eren, Christof Mast, Dieter Braun. Prebiotic gas flow environment enables isothermal nucleic acid replication. eLife 2024; DOI: 10.7554/eLife.100152.1

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