Es gibt viele verschiedene Hypothesen, wie das Leben auf der Erde einst entstand. Doch in fast allen Szenarien spielt das Erbmolekül RNA eine entscheidende Rolle. Grund ist seine einzigartige Doppelnatur: Einerseits speichert es in der Abfolge seiner Bausteine Information, andererseits kann RNA auch chemische Reaktionen ablaufen lassen und sich so an Stoffwechselprozessen beteiligen. Je nach Vorliebe kann man RNA deswegen als Ursprung des Lebens selbst sehen – oder als Brücke zwischen einem ursprünglichen Stoffwechselnetzwerk und einem Informationsträger, der Vererbung und Evolution möglich macht.

Ein neu entdecktes Molekül stellt nun erstmals eine Verbindung her zwischen solchen theoretischen Überlegungen und der chemischen Realität. Ein Team um Philipp Holliger vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge hat den ersten RNA-Strang entwickelt, der sich selbst kopieren kann. Entscheidend dabei sei seine geringe Größe, schreibt die Arbeitsgruppe in der Fachzeitschrift »Science«; die Substanz namens QT45 ist eine Kette aus bloß 45 Nukleotiden, den Bausteinen der Erbmoleküle.

Dadurch kann sie plausibel auf rein chemischem Weg entstehen – je länger das Molekül, desto unwahrscheinlicher ist, dass es spontan entsteht. Außerdem sind RNA-Moleküle sehr ineffizient darin, Reaktionen anzutreiben. Deswegen können sie nur relativ kurze Ketten bauen, bevor die Reaktion abbricht oder das Molekül zerfällt. Die Studie legt außerdem nahe, dass RNA-Stränge mit solchen Fähigkeiten sehr viel häufiger sind als erwartet – und damit am Ursprung des Lebens sehr viel wahrscheinlicher entstanden sein könnten.

Auf der Suche nach der Super-RNA

Erbmoleküle wie RNA sind entscheidend für zwei zentrale Eigenschaften von Leben, wie wir es heute verstehen: Sie machen einerseits Vererbung möglich, bei der zuverlässig Information auf die nächste Generation übertragen wird, und andererseits erlauben sie graduelle Veränderung und Evolution. Schon das allererste Erbmolekül in der Geschichte des Lebens muss deswegen kopiert worden sein.

Doch die Bausteine von RNA oder DNA in der richtigen Reihenfolge aneinanderzuketten, ist eine relativ komplizierte Reaktion. Es ist schwer vorstellbar, dass ein solcher chemischer Mechanismus schon existierte, bevor überhaupt Erbmoleküle auftauchten. Die offensichtliche Lösung: Das Erbmolekül muss sich selbst kopiert haben. Dank seiner Doppelnatur kann RNA das leisten – zumindest theoretisch.

In der Praxis erwies es sich jahrzehntelang als schwierig, passende RNA-Stränge zu finden. Während inzwischen diverse RNA-Moleküle bekannt sind, die andere RNA verknüpfen oder ihre Stränge verlängern können, sind sie viel zu groß, um Kopien von sich selbst anzufertigen. Daher suchte die Arbeitsgruppe um Hollinger nach einem solchen Molekül unter zwei Einschränkungen. Erstens betrachteten die Forscher nur sehr kurze Stränge mit maximal 80 Bausteinen, und zweitens fahndeten sie nach einem Molekül, das Dreiergruppen von Bausteinen an sich selbst anfügt. RNA-Stränge, die dazu in der Lage sind, sich auf diese Weise zu verlängern, lassen sich dann einfach herausfischen, indem man nach der angefügten Dreiergruppe angelt.

Hundert Milliarden Möglichkeiten

Das Team erzeugte laut eigener Schätzung etwa zehn Billionen zufällige RNA-Stränge, von denen drei die gewünschte Reaktion katalysierten. Nach mehreren Runden künstlicher Evolution – durch Mutation der RNA und Selektion der effizientesten neuen Varianten blieb schließlich QT45 übrig. Das kleine Molekül kann entlang einer beliebigen RNA-Sequenz deren über Basenpaarungen verbundenes Gegenstück aus Dreiergruppen von Bausteinen herstellen – es erzeugt also einen dazu komplementären RNA-Strang. Und vor allem schafft es das auch bei sich selbst – und kann mit dem entgegengesetzten Strang als Vorlage sich in einem zweiten Schritt selbst kopieren. Die Reaktion dauert buchstäblich Wochen, doch QT45 ist das erste freie RNA-Molekül mit dieser Fähigkeit überhaupt.

Während RNA in heutigen Organismen aus einzelnen Bausteinen kopiert wird und nicht aus Dreiergruppen, ist der Fokus auf längere Fragmente beim Ursprung des Lebens durchaus sinnvoll. In einer Umgebung, in der sich ein 45 Nukleotide langes RNA-Stück spontan bilden kann, wird es kürzere Ketten reichlich geben; zusätzlich lösen die kurzen RNA-Stücke das Problem, dass längere RNA-Stränge sich falten und mit sich selbst Basenpaarungen eingehen, sodass sie sich nicht als Vorlage nutzen lassen. Denn die Fragmente können solche gepaarten Abschnitte öffnen.

Dennoch ist QT45 aus verschiedenen Gründen kein geeignetes Vorbild für das erste Erbmolekül in der Geschichte des Lebens. Der wichtigste Schönheitsfehler ist, dass es jede beliebige RNA-Sequenz kopiert – und damit quasi auch die Konkurrenz. Die gängigen Modelle zur RNA am Ursprung des Lebens erfordern jedoch, dass das neu entstandene Erbmolekül einen Vorteil gegenüber anderen Strängen mit zufälligen Sequenzen hat und sich deswegen anreichert.

Die Studie legt aber nahe, dass kurze Moleküle mit dieser Fähigkeit existieren. Hollingers Team fand gleich drei Moleküle mit aussichtsreichen chemischen Eigenschaften. Das klingt nach wenig. Doch die hier betrachteten zehn Billionen zufälligen Stränge sind nur ein Hundertmilliardstel aller theoretisch möglichen Sequenzen. Es könnte also womöglich vergleichbar viele Kandidaten für das Ur-Erbmolekül geben wie Sterne in der Milchstraße.