Ur-Moleküle des Lebens im Reagenzglas nachgebaut

Foto: ap/Jan Gropp

Den Ursprung des Lebens im Labor nachgebaut: Wissenschaftlern der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) gelang jetzt die Bildung ausreichend langer RNA-Bausteine im Reagenzglas unter Bedingungen, wie sie im Ur-Ozean auf der Erde geherrscht haben müssen.

„Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert“, fasst Professor Dieter Braun die Ergebnisse zusammen. Gemeinsam mit seinem Kollegen Ulrich Gerland arbeiten beide im >I>Exzellenzcluster „Nanosystems Initative Munich" (NIM). Die Physiker zeigten, wie Ihre Wissenschaft das Problem der zu kurzen Polymere gelöst haben könnte, das zu Beginn der Evolution der Entwicklung des Lebens „im Wege stand“. Ihre Forschung lüftet jetzt das Geheimnis über den Ursprung des Lebens.

 

Münchner Forscher stellen Bau der ersten Moleküle des Lebens nach

 

Am Anfang gab es auf dem Planeten Erde nämlich nur einzelne Atome oder allenfalls kleine Moleküle als erste Bausteine des Lebens. Komplexe Strukturen entwickelten sich nur sehr langsam. „Die wichtigste Verbindung war damals vermutlich die Ribonukleinsäure (RNA)“, betonen die Wissenschaftler. „Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.“

Wie aber entstanden solch längere Molekül-Ketten? Immerhin: „Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt“, wissen die Forscher. Sie mussten sich ohne Katalysator zusammenfinden. Wie das ging war lange Zeit unklar. Im Reagenzglas schafften es Forscher allenfalls, Moleküle aus 20 Bausteinen zusammen zu bringen.

Braun und Gerland berechneten nun in einem Modell, „dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen.“ Dann versuchten sie ein Szenario aus der Urzeit nachzustellen: Sie untersuchten, was in einer mit Meerwasser gefüllten Gesteinspore, die in der Nähe einer heißen Tiefseequelle liegt, passiert und erkannten: „Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite. Diesen Effekt nennen die Wissenschaftler „Thermophorese“.

 

Entstehung des Lebens: reine Physik

 

„Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophorese kombinieren sich zu einer thermalen Falle, die lange Polymere besser akkumuliert als kurze und somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt“, erklärt der ebenfalls an der Forschung beteiligte Christof Mast. „Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich über exponenziell.“

Ihr Modell belegten die Münchner Physiker im Labor. In einer Pressemeldung der Universität beschreiben sie den Nachbau der ersten Lebensmoleküle: Eine Glaskapillare ersetzte die Gesteinspore. Die Forscher erzeugten einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Statt Meerwasser nahmen sie eine Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten die Forscher kurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können.

„DNA anstelle von RNA wurde verwendet“, schreiben sie über ihre Versuche, „weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde.“ Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.

Fazit der Wissenschaftler: „Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen.“

 

 

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