Direkt zum Inhalt

Chemische Evolution: Eis lässt Moleküle des Lebens reifen

Schematische Darstellung eines Polymerase-Ribozyms
Nach einer heißen Frühzeit kühlte unser Planet nach und nach auf gemäßigte Temperaturen herunter, wonach allmählich auch ab und an Eis die Oberfläche bedeckte. Und womöglich gab eben dies den Startschuss für die Entstehung des Lebens, meinen nun Forscher um Phillip Hollinger vom MRC-Labor für Molekularbiologie im englischen Cambridge: Die Forscher konnten im Labor nachvollziehen, wie die Struktur gefrorenen Wassers Reaktionsräume bildet, in denen selbstreplizierende Polymere ideale Bedingungen für ihre chemische Höherentwicklung finden.

Polymerase-Ribozym | Schematische Darstellung eines Polymerase-Ribozyms, wie sie Hollinger und Kollegen als Doppelgänger der hypothetischen frühen Ur-Ribozyme der Erde einsetzten. Die katalytischen Domänen des Enzyms (schwarz) umgeben den zu replizierenden Doppelstrangabschnitt aus RNA-Vorlage und -Primer. Bei der gezeigten Ribozym-Variante hybridisiert der Strang vom 5'-Ende aus mit der RNA-Vorlage (grün) upstream vom Primer (orange).
Die Biochemie entstand nach gängigen Hypothesen mit zufällig gebildeten und dann ausreichend stabilisierten Ribonukleinsäuren, die schließlich die Fähigkeit erlangten, sich selber katalytisch zu verändern, die also zu Ribozymen wurden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit konnte sich diese frühe "RNA-Welt" aber nicht in einer stark verdünnten Ursuppe, sondern nur in kleinen, geschützen Reaktionsräumen aufbauen, in denen sich die nötigen Molekülbausteine zunächst anreicherten und in denen sie beispielsweise auch vor zerstörerischer UV-Strahlung abgeschirmt waren. Als mögliche Kleinkompartimente werden unter anderem winzige Gesteinshohlräume diskutiert, wo die Besonderheiten von Kristalloberflächen, Tonnmineralien und Metallionen sterisch, chemisch und elektrisch eingewirkt haben.

Auch Eis bildet aber Reaktionsräume im Inneren, bemerken Hollinger und Kollegen – und eignet sich sogar hervorragend als Wiege der Ribozyme. Die Forscher demonstrierten dies, indem sie das ursprünglichste heute bekannte Ribozym, die R18-RNA-Polymerase, einfroren. Dabei zeigte sich, dass das Ribozym nicht nur außergewöhnlich gut stabilisiert wurde, sondern auch seine Replikationsfähigkeit beibehielt. Der physikalische Prozess des Einfrierens sorgt zudem für eine allmähliche Konzentration gelöster Substanzen: Sie sammeln sich in der eutektischen Übergangsphase des einfrierenden Wassers, also, bildlich gesehen, zwischen den wachsenden, sich ausdehnenden Eiskristallbereichen.

Demnach laufen chemische Reaktionen – wie das Zusammenketten einzelner RNA-Bausteine zu größeren Polymeren – sogar effektiver ab, solange die Temperatur nicht auf sehr niedrige Werte fällt. Dies belegt auch der Versuch von Hollingers Team: Die R18-RNA-Polymerase erhöhte bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ihre Aktivität und bliebt sogar deutlich länger aktiv – über Wochen, während sie ihre Arbeit bei Raumtemperatur meist schon nach zwei Tagen einstellte. Das Enzym funktioniert zudem auch in stark verdünnten Substratlösungen noch effektiv.

Im frierenden Eis bildet sich demnach ein quasizelluläres Kompartiment in der eutektischen Phase, in dem Substrate konzentriert und Enzymaktivitäteten verstärkt werden – ideale Bedingungen für eine fortschreitende RNA-Evolution, fasst Hollinger zusammen. Eine "kalte RNA-Welt" könnte demnach durchaus schon existiert haben, bevor in einem nächsten Schritt Biomembranen Reaktionsräume umschlossen haben, um erste Protozellen zu bilden. (jo)

Schreiben Sie uns!

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Zuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Zuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmende sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Zuschriften können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

  • Quellen
Attwater, J. et al.: Ice as a protocellular medium for RNA replication. In: Nature Communications 0.1038/ncomms1076, 2010.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.