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Haben sich auf der Erde viele Schlüsselkomponenten für das Leben früh gleichzeitig gebildet? Eine neue Entdeckung stützt diese Theorie.

Lange haben sich die Menschen den Kopf darüber zerbrochen, wie das Leben nach der Entstehung der Erde vor Milliarden von Jahren überhaupt in Gang kam. Jetzt haben Chemiker einen Teil des Rezepts entschlüsselt, indem sie eine komplexe Verbindung, die für alles Leben unerlässlich ist, in einem Labor hergestellt haben.

Wie bei der Herstellung von Kuchenzutaten ist es den Forschern gelungen, eine Verbindung herzustellen, die für den Stoffwechsel in allen lebenden Zellen von entscheidender Bedeutung ist und für die Energieerzeugung und -regulierung unerlässlich ist. Der Stoffwechselweg, der den Wissenschaftlern jahrzehntelang entgangen ist, umfasst relativ einfache Moleküle, die wahrscheinlich schon auf der frühen Erde vorhanden waren und sich bei Raumtemperatur über Monate hinweg miteinander verbinden.

Die Entdeckung stützt die Idee, dass sich viele Schlüsselkomponenten für das Leben schon früh gleichzeitig gebildet und zu lebenden Zellen zusammengefügt haben könnten.

„Warum haben wir Leben? Warum sorgen die Regeln der Chemie dafür, dass das Leben hier so aussieht, wie es aussieht“, so Matthew Powner, Hauptautor der Forschungsarbeit. Das sind einfach die fantastischsten Fragen, die wir beantworten können“.

Organismen bestehen aus denselben chemischen Grundbausteinen

Obwohl sich die Organismen in ihrem Aussehen stark unterscheiden, bestehen sie aus denselben chemischen Grundbausteinen, den sogenannten Primärmetaboliten, die direkt am Zellwachstum und an der Entwicklung beteiligt sind. Beispiele dafür sind Aminosäuren, die zum Aufbau von Proteinen beitragen, und Nukleotide, aus denen RNA und DNA bestehen.

Das neue Laborexperiment konzentrierte sich auf den Ursprung eines anderen Primärmetaboliten: Coenzym A, das im Zentrum des Stoffwechsels in allen Bereichen des Lebens steht (als eine seiner vielen Funktionen). So spielt die Verbindung beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Freisetzung von Energie aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen in Organismen, die Sauerstoff benötigen, aber sie erfüllt auch Stoffwechselfunktionen in Lebensformen, die keinen Sauerstoff benötigen, wie viele Bakterien.

Powner und sein Team versuchten insbesondere, ein bestimmtes Fragment des Coenzym-A-Moleküls namens Pantethein nachzubilden. Pantethein ist der funktionelle Teil von Coenzym A, der oft übertragen wird und andere chemische Reaktionen in unserem Körper ermöglicht. Dieses Glied wird als Co-Faktor bezeichnet und wirkt wie ein „An“-Schalter - ohne ihn wäre das Coenzym unbrauchbar.

„Alle unsere Stoffwechselprozesse sind auf eine kleine Untergruppe dieser Co-Faktoren angewiesen“, sagt der Biologe Aaron Goldman, der nicht an der Studie beteiligt war. „Dies hat Forscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Cofaktoren selbst größeren, komplexeren Enzymen während der Entstehung und frühen Entwicklung des Lebens vorausgegangen sein könnten.

Einige Forscher, so Goldman, haben vorgeschlagen, dass frühe Lebensformen Panthelin zur Energiespeicherung verwendet haben könnten, bevor sich die größeren, komplexeren Energiewährungen entwickelten, die Zellen heute verwenden.

Was ist nötig, um einen Organismus aufzubauen?

„Wir können nicht in der Zeit zurückgehen. Wir können nicht bis zum Ursprung des Lebens zurückgehen. Wir können keine Proben aus dieser Zeitspanne finden“, so Powner, Professor am University College London. „Unsere einzige Möglichkeit, dem Problem wirklich auf den Grund zu gehen, besteht darin, es neu zu konstruieren, bei null anzufangen, eine Zelle neu zu konstruieren und zu verstehen, was nötig ist, um einen Organismus aufzubauen.“

Der Bau von Panthelin war ein schwieriges Unterfangen. Zum einen sei das Molekül für biochemische Verhältnisse „eigenartig“, sagte er. Es ähnelte stark der Struktur von Peptiden (Aminosäureketten), die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden, hatte aber viele seltsame Merkmale - ungewöhnliche Elemente, die sich an seltsamen Stellen befanden -, die ihm eine kompliziertere Struktur zu verleihen schienen.

Die Verbindung ist ein so seltsames Entlein, dass Wissenschaftler zuvor annahmen, sie sei zu kompliziert, um sie aus einfachen Molekülen herzustellen. Andere haben versucht, Panthelin herzustellen, und sind dabei gescheitert, weil sie dachten, dass es am Ursprung des Lebens gar nicht vorhanden war. Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Biologie eine einfache Version davon erschaffen hätte, die sich im Laufe der Zeit zu einer komplizierteren Version entwickelt hätte - so wie man eine Hütte baut und sie später in eine Villa verwandelt.

Blausäure und Wasser waren auf der frühen Erde reichlich vorhanden

Dennoch machte sich das Team an die Arbeit. Sie konzentrierten sich vor allem auf die Verwendung von Materialien, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen sein könnten, wie Blausäure und Wasser. Die ersten Schritte der Reaktion dauerten jeweils etwa einen Tag, aber der letzte Schritt dauerte 60 Tage, was die längste Reaktion war, die Powners Labor je durchgeführt hat. Das Team schaltete die Reaktion schließlich ab, „auch weil uns langweilig wurde“, sagte er. Aber das Ergebnis war eine Menge Panthelin.

Das Team führte seinen Erfolg im Vergleich zu fehlgeschlagenen Studien anderer darauf zurück, dass es stickstoffhaltige Verbindungen, sogenannte Nitrile, verwendete. Diese Verbindungen lieferten die dringend benötigte Energie, um die Reaktionen voranzutreiben. Ohne die Nitrile ist es so, als hätte man einen Rasenmäher, aber kein Benzin, um ihn in Gang zu bringen.

„Ich finde es sehr überraschend, dass das noch niemand ausprobiert hat. Wenn man sie einfach zusammenmischt, reagieren sie alle miteinander“, sagt Jasper Fairchild, ein Doktorand am University College London, der das Experiment leitete. „Man sollte meinen, dass man ein Durcheinander erhält, aber das ist nicht der Fall. Man erhält nur Pantheon. Und das ist für mich sehr schön.“

Auf der frühen Erde könnte die Reaktion in kleinen Wassertümpeln oder Seen stattgefunden haben, so die Autoren. Große Ozeane hätten jedoch wahrscheinlich die Konzentration der Chemikalien verdünnt. „Dies ist ein weiteres schönes Beispiel dafür, wie die Moleküle des Lebens, selbst komplexere wie Coenzyme, dazu veranlagt sind, sich zu bilden“, sagte der Chemiker Joseph Moran, der nicht an der Studie beteiligt war.

Neue Vorstellung davon, wie das Leben auf der Erde entstanden ist

Das einfache Rezept für ein so komplex aussehendes Molekül könnte eine neue Vorstellung davon vermitteln, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. In der Vergangenheit, so Powner, gingen die Wissenschaftler davon aus, dass biologische Moleküle schrittweise entstanden - wie eine frühe Welt der RNA, aus der später Proteine und andere Chemikalien hervorgingen.

Die neue Entdeckung zeigt jedoch, dass viele Bausteine des Lebens gleichzeitig aus denselben chemischen Grundbausteinen und unter denselben Bedingungen entstanden sein könnten, sodass Proteine, RNA und andere Komponenten auf einmal produziert wurden. Tatsächlich wurden in früheren Studien des Teams ähnliche Bedingungen und Reaktionen verwendet, um Nukleotide (die zur Bildung von DNA beitragen) und Peptide (die zur Bildung von Proteinen beitragen) zu erzeugen. Diese Bausteine könnten zusammengekommen sein, miteinander reagiert haben und schließlich zur Entstehung des Lebens geführt haben.

Ein besseres Verständnis darüber, wie diese Komponenten entstanden und miteinander verschmolzen sind, könnte Wissenschaftlern helfen, eines Tages Leben aus statischen Materialien in einem Labor oder sogar auf einem anderen Planeten zu erzeugen. „Wir sind weit davon entfernt, eine Zelle [von Grund auf] herstellen zu können“, sagte Powner. „Das wird vielleicht nicht mehr zu meinen Lebzeiten passieren, aber wir sind auf dem Weg zu verstehen, wie diese Moleküle zusammenarbeiten.“

Wir testen zurzeit maschinelle Übersetzungen. Dieser Artikel wurde aus dem Englischen automatisiert ins Deutsche übersetzt.

Dieser Artikel war zuerst am 29. Februar 2024 in englischer Sprache bei der „Washingtonpost.com“ erschienen – im Zuge einer Kooperation steht er nun in Übersetzung auch den Lesern der IPPEN.MEDIA-Portale zur Verfügung.