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News: Eine Händigkeit schafft die andere

Die Natur ist diskriminierend: Statt alle räumlichen Varianten der einzelnen Aminosäuren und Zucker gleichermaßen in lebende Zellen einzubauen, zieht sie meist eine Version ihrem Spiegelbild vor. Ein neues Experiment stützt die These, dass der Grund für diese Ungerechtigkeit vermutlich vor Urzeiten aus dem Weltraum gekommen ist.
Chiralität
Der Kohlenstoff macht die Chemie erst so richtig flexibel – und kompliziert! Dabei geht bis zum dritten Bindungspartner alles glatt: Egal, wie sich die Grüppchen verteilen, ein kleiner Dreh am Molekül, und jede Version lässt sich mit allen anderen Varianten zur Deckung bringen. Wie ein Ei dem anderen gleichen sie sich. Damit ist Schluss, sobald Nummer vier ins Spiel kommt. Sitzen an einem Kohlenstoffatom vier verschiedene Gruppen, kann der Chemiker die Sache drehen und rotieren lassen, wie er will – es sind immer zwei verschiedene räumliche Anordnungen möglich. Stereoisomere nennt die Wissenschaft derartige Moleküle, die einander nun wie eine linke und eine rechte Hand ähneln. Chemisch verhalten sich beide Varianten gleich, aber physikalisch lassen sie sich unterscheiden, beispielsweise an der Art, wie sie in einer Lösung polarisiertes Licht drehen.

Vor allem aber existiert ein gewaltiger biologischer Unterschied. So sind fast alle – nicht alle, wie immer wieder zu lesen ist – Aminosäuren in lebenden Zellen vom L-Typ. Der sieht genauso aus wie der viel seltenere D-Typ, mit Ausnahme der Anordnung seiner chemischen Gruppen am zentralen Kohlenstoffatom. In nicht-biologischen Umgebungen kein sonderlich großes Problem: Hier wechseln die Gruppen zwischendurch mal die Position und erzeugen so eine ausgewogene Mischung von D und L. Wenn jedoch das Leben seine Finger im Spiel hat, bleibt es beim Ungleichgewicht der Aminosäuren, und bei den Zuckern sieht es nicht viel anders aus.

Betrachtet man nur die heutige Situation mit ihrer Fülle von Lebensformen, die wahrscheinlich alle aus einem gemeinsamen Anfang hervorgegangen sind, ist die Diskrepanz der Stereoisomere eigentlich leicht zu verstehen. Will eine Zelle – oder gar ein ganzer Organismus – wachsen, braucht sie neue Bausteine: Aminosäuren, Zucker, Nucleinsäuren und vieles mehr. Einiges davon bekommt sie von außen geliefert, anderes muss sie selbst herstellen, was Aufgabe von Enzymen ist. Diese Enzyme arbeiten nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: Sie greifen und bearbeiten jene Moleküle, die in ihr aktives Zentrum passen. Und wie jeder Linkshänder weiß, können unsymmetrische Gegenstände mit falscher Ausrichtung dabei ziemlich unbequem in der Hand liegen. Für ein Enzym bedeutet dies: Eine Vorstufe, die räumlich nicht passt, wird nicht weiterprozessiert. Ende für das falsche Stereoisomer.

Vor rund vier Milliarden Jahren, als das Leben seine ersten zaghaften Schritte auf der Erde andeutete, gab es aber diese drastische Auswahl an jeder einzelnen Stoffwechselstation noch nicht. War die aufkeimende Biochemie damals noch egalitär ausgerichtet? Wohl kaum, vermuten Wissenschaftler, denn bereits die Lieferungen organischer Moleküle, die mit den heftigen Meteoritenschauern auf die Erde niedergingen, waren zugunsten eines Stereoisomers verschoben. Wäre es denkbar, dass deren Missverhältnis der gesamten biologischen Entwicklung seinen Stempel aufdrücken konnte?

Sandra Pizzarello von der Arizona State University und Arthur Weber vom SETI Institute der NASA meinen, dass tatsächlich überschüssige Stereoisomere bei Aminosäuren die Entstehung der verschiedenen räumlichen Varianten anderer Moleküle beeinflussen konnten. Um ihre These zu erhärten, führten sie ein Experiment durch, wie es im Prinzip auf der Urerde ähnlich stattgefunden haben könnte: In eine gepufferte wässrige Lösung gaben die Forscher die Aminosäuren Alanin und Isovalin in unterschiedlichen Gemischen mit definierten Verhältnissen der Stereoisomere. Während Alanin in Proteinen und Zellen häufig anzutreffen ist, konnte Isovalin bereits in Meteoriten nachgewiesen werden. Aufgabe der Aminosäuren war es, die Synthese von Zuckern mit vier Kohlenstoffatomen aus Vorstufen mit nur zwei Kohlenstoffatomen zu katalysieren. Dazu gingen sie kurzzeitig selbst eine Bindung mit den kurzen Bausteinen ein und übertrugen dadurch ihre bevorzugte räumliche Anordnung auf die neu produzierten Zuckermoleküle. Zumindest stellen Pizzarello und Weber sich die Abläufe in ihrer Versuchsanordnung so vor, denn die Analyse der gebildeten Zucker zeigt eindeutig, dass die Diskrepanz der Zucker-Stereoisomere umso größer war, je stärker ein Isomer bei den Aminosäuren überwog.

Eine kleine kosmische Ungerechtigkeit aus dem Weltraum könnte also dafür gesorgt haben, dass wir heutzutage darauf achten, in welche Richtung unser Joghurt dreht. Und vielleicht hat sie sogar die Wendeltreppe unserer DNA beeinflusst. Denn manche Forscher vermuten, dass zu Anfang das Grundgerüst aus recht einfachen Zuckern mit vier Kohlenstoffatomen aufgebaut war – genau der Sorte, die Pizzarello und Weber synthetisiert haben. Mal abwarten, ob dem Team auch zu dieser Hypothese ein Exeriment einfällt.

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