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Neues aus der Forschung

Frühes Leben braucht keine Proteine

Die nicht-enzymatische Replikation von RNA-Molekülen in Fettsäure-Vesikeln


RNA-Moleküle

Vor ein paar Monaten konnte der Nobelpreisträger Jack SZOSTAK einen wichtigen Schritt zur Entstehung der ersten Protozellen (Vorstufen des Lebens) experimentell nachvollziehen. Seinem Forscherteam gelang erstmals die Replikation (Vervielfältigung) von Ribonukleinsäuren (RNA) innerhalb kleiner Fettsäurebläschen, so genannten Vesikeln, einfachen Formen membranumhüllter Zellen sehr ähnlich (vgl. ADAMALA & SZOSTAK 2013; SERVICE 2013).

Die RNA ist wie die DNA ein mehr oder weniger langes Kettenmolekül, bestehend aus zahlreichen linear miteinander verknüpften Bausteinen, den so genannten Nukleotiden. Sie ist ein möglicher, phylogenetischer Vorläufer der DNA und somit "Informationsträger" der ersten Lebensformen. Es gibt eine Reihe von Befunden, welche diese so genannte "RNA-Welt-Hypothese" stützen. Einer dieser Befunde gründet in der in den 1980er Jahren gemachten Beobachtung von Thomas CECH, dass einige RNA-Moleküle die Eigenschaft zur Selbstvervielfältigung besitzen sowie diverse chemische Reaktionen ablaufen lassen können. Es waren dafür also keine spezialisierten Proteine, sog. Enzyme, nötig, auf die das heutige Leben zurückgreift. Die Vorfahren der heutigen Lebensformen konnten somit RNA sowohl als genetischen Speicher als auch für das Bewerkstelligen chemischer Reaktionen (als Katalysator) nutzen. Proteine und DNA haben sich erst im späteren Verlauf der Evolution entwickelt.

Allerdings reichen einige RNA-Moleküle in freier Lösung nicht aus, um interessante chemische Reaktionen zu beobachten: Man benötigt davon eine relativ hohe Konzentration, die etwa durch Anreicherung in hinreichend von der Umwelt abgeschirmten Reaktionsräumen realisiert werden kann. Fettsäurevesikel sind für die Forschung deshalb so interessant, weil sie zum einen genau jene für die Replikation wichtige Reaktionsräume bieten und halbwegs selektiv nur bestimmten Reaktanden (Wasser, Ionen, Fettsäuren, RNA-Bausteinen usw.) den Durchtritt ins Innere gestatten. Dort können die erforderlichen Ausgangsstoffe in ausreichend hoher Konzentration zur Verfügung gestellt werden.

Zum anderen können Fettsäurevesikel von selbst in wässrigen Lösungen (z.B. im Ozeanwasser) entstehen. Die dafür benötigten Fettsäuren bilden sich unter den Bedingungen einer Uratmosphäre, wie das berühmte MILLER-UREY-Experiment gezeigt hat.

Nun gab es bislang ein Problem: Die Hypothese von der Selbstvervielfältigung (Autoreplikation) der RNA krankte daran, dass Magnesium-Ionen für den Kopiervorgang erforderlich sind. Diese sind zwar im Meerwasser reichlich vorhanden, zerstören aber sowohl die einsträngige RNA als auch die Fettsäurehülle. ADAMALA und SZOSTAK konnten jedoch nachweisen, dass Citronensäure (Citrat) das Magnesium "maskiert", sodass die ungünstigen Nebenreaktionen nicht mehr auftreten: Citrat bewahrt die Fettsäure-Membranen vor dem störenden Einfluss hoher Magnesiumkonzentrationen, ermöglicht zugleich die Vervielfältigung der RNA und schützt die einsträngige RNA vor dem durch Magnesium-Ionen beschleunigten (katalysierten) Abbau. Die Teilung der Protozelle wird zwar von dem System nicht angestoßen, kann aber mechanisch (etwa durch Wellenbewegungen) erzwungen werden.

Natürlich wäre es weitaus einfacher, den RNA-Replikationsprozess mithilfe von Enzymen (RNA-Replikasen) im Labor auszuführen – in Abwesenheit von Fettsäuremembranen. Doch präbiotisch plausibel wäre dieses Szenario nicht: In der RNA-Welt stand noch keine komplizierte Transkriptions- und Translations-Maschinerie zur Verfügung, die es für eine entsprechende Enzymproduktion braucht. Diese war auch nicht notwendig, da RNA-Moleküle selbst enzymatische Aktivität entfalten können; solche RNA-Spezies nennt man Ribozyme.

Lipidmembranen begünstigen (bzw. ermöglichen) also überhaupt erst die Replikation der RNA. Allerdings bleiben spontan entstandene Lipidmembranen in der Regel nicht lange (genauer gesagt, nur unter bestimmten Bedingungen) stabil. Da jedoch Ribozyme wiederum die kontrollierte Synthese von Lipidmembranen ermöglichen und zu deren Stabilisierung beitragen können, ist die Kombination von RNA und Lipidmembran von beider Vorteil; es entsteht eine Art der "Symbiose", die zwangsläufig einen Evolutionsprozess in Gang setzt. Denn bei jeder Replikation treten Kopierfehler (Mutationen) auf, die einem Selektions- bzw. Optimierungsprozess unterliegen: Eine RNA, die sich rascher repliziert und die Fettsäurehülle besser stabilisiert, wird dadurch letztlich auch mehr Kopien von sich erzeugen.

SZOSTAK (2012) formuliert das Szenario einer RNA-gesteuerten Lipid-Synthese, wobei geeignete Ribozyme eine kontrollierte Anlagerung von Fettsäuremolekülen in die Membranen ermöglichen. Nachdem entsprechende RNA-Moleküle erstmals zwischen Lipidmembranen eingeschlossen waren, wurde die kontrollierte und geordnete Vervielfältigung von RNA und Zellmembran sowie deren wechselseitige Stabilisierung möglich: Eine evolutionsfähige (Proto-) Zelle war entstanden.

SZOSTAKs Szenario der präbiotischen Entstehung der ersten lebenden Zellen wird, Schritt für Schritt und allgemein verständlich, in der folgenden Animation veranschaulicht.





Ausgangspunkt der Evolution sind besagte Fettsäurevesikel und eine bestimmte Sorte aktivierter RNA-Bausteine (ZHANG 2013). Letztere neigen von selbst zur Kettenbildung (Polymerisation). Durch Kombination der verschiedenen Bausteine entstehen so beliebig viele, unterschiedliche RNA-Molekül-Ketten in den Protozellen. In der Nähe heißer Hydrothermalschlote werden die Doppelstränge immer wieder aufgespalten; an die einsträngige RNA können sich dann wieder RNA-Bausteine anlagern. Die RNA-Moleküle vermehren sich also zunächst spontan, d.h. ohne katalytischen Einfluss. Irgendwann befindet sich unter den RNA-Molekülen zwangsläufig eine Ribozym-Spezies, welche die Replikation katalysiert – dies ist der Beginn der Ko-Evolution von Fettsäure-Vesikeln und RNA.

Der Nobelpreisträger erhebt übrigens nicht den Anspruch, nachgewiesen zu haben, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Er liefert "nur" ein plausibles Modell darüber, wie es entstanden sein könnte. Wesentliche Randbedingungen, die bei der Bildung der ersten replikationsfähigen Biomoleküle vorherrschten, harren noch der wissenschaftlichen Aufklärung. Zum Beispiel kann die Gegenwart von Citrat auf der frühen Erde chemisch derzeit noch nicht plausibel gemacht werden. Trotzdem weisen SZOSTAKs Forschungsergebnisse in die richtige Richtung: Sie belegen ganz grundsätzlich, dass ungünstige Nebenreaktionen bei der durch Ionen katalysierten Vervielfältigung von RNA durch bestimmte Begleitsubstanzen unterdrückt werden können. Sein Szenario ist die derzeit beste Annäherung an den Ursprung des Lebens aus unbelebter Materie.

Literatur

ADAMALA, K. & SZOSTAK, J.W. (2013) Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells. Science 342, 1098-1100.

SERVICE, R.F. (2013) The Life Force. Science 342, 1032-1034.

SZOSTAK, J.W. (2012) The eightfold path to non-enzymatic RNA replication. Journal of Systems Chemistry 3, 2.

ZHANG, S. et al. (2013) Synthesis of N3'-P5'-linked phosphoramidate DNA by nonenzymatic template-directed primer extension. Journal of the American Chemical Society 135, 924-932.

Autor: Martin Neukamm


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