Wie sind die Bausteine ​​des Lebens entstanden?

Die Frage beschäftigt Wissenschaftler seit langem. Die frühe Erde war übersät mit Wasserbecken, die reich an Chemikalien waren – einer Ursuppe. Doch aus den Mischungen entstanden lebensunterstützende Biomoleküle, die den Grundstein für die Entstehung der ersten Zellen legten.

Das Leben begann, als sich zwei Komponenten bildeten. Einer davon war ein molekularer Träger – wie zum Beispiel DNA – um genetische Baupläne weiterzugeben und neu zu mischen. Die andere Komponente bestand aus Proteinen, den Arbeitspferden und Strukturelementen des Körpers.

Beide Biomoleküle sind hochkomplex. Beim Menschen besteht die DNA aus vier verschiedenen chemischen „Buchstaben“, den sogenannten Nukleotiden, während Proteine ​​aus 20 Arten von Aminosäuren bestehen. Die Komponenten haben unterschiedliche Strukturen und ihre Herstellung erfordert leicht unterschiedliche Chemie. Die Endprodukte müssen in ausreichend großen Mengen vorliegen, um sie zu DNA oder Proteinen zusammenzufügen.

Wissenschaftler können die Komponenten im Labor mithilfe von Zusatzstoffen reinigen. Aber es stellt sich die Frage: Wie geschah das auf der frühen Erde?

Die Antwort könnte laut Dr. Christof Mast, Forscher an der Ludwig-Maximilians-Universität München, Risse in Gesteinen sein, wie sie in Vulkanen oder geothermischen Systemen vorkommen, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden waren. Es ist möglich, dass Temperaturunterschiede entlang der Risse die Biomolekülkomponenten auf natürliche Weise trennen und konzentrieren und so ein passives System zur Reinigung von Biomolekülen bereitstellen.

Inspiriert von der Geologie entwickelte das Team Wärmeflusskammern von etwa der Größe einer Bankkarte, die jeweils winzige Brüche mit einem Temperaturgradienten enthalten. Bei Gabe einer Mischung aus Aminosäuren oder Nukleotiden – einer „präbiotischen Mischung“ – trennten sich die Bestandteile leicht.

Durch das Hinzufügen weiterer Kammern wurden die Chemikalien weiter konzentriert, selbst solche mit ähnlicher Struktur. Das Netzwerk aus Brüchen ermöglichte auch die Bindung von Aminosäuren, der erste Schritt zur Schaffung eines funktionellen Proteins.

„Systeme miteinander verbundener dünner Brüche und Risse … gelten als allgegenwärtig in vulkanischen und geothermischen Umgebungen.“ schrieb Das Team. Durch die Anreicherung der präbiotischen Chemikalien hätten solche Systeme „eine stetige treibende Kraft für ein Labor zur natürlichen Entstehung des Lebens darstellen können“.

Brauleben

Vor rund vier Milliarden Jahren war die Erde eine lebensfeindliche Umgebung, die von Meteoriten heimgesucht wurde und von Vulkanausbrüchen heimgesucht wurde. Doch irgendwie erzeugte die Chemie inmitten des Chaos die ersten Aminosäuren, Nukleotide, Fettlipide und andere Bausteine, die das Leben unterstützen.

Welche Welche chemischen Prozesse zu diesen Molekülen beigetragen haben, steht zur Debatte. Wann Jeder kam mit, ist auch ein Rätsel. Wie bei einem „Henne-Ei“-Problem steuern DNA und RNA die Bildung von Proteinen in Zellen – aber beide genetischen Träger benötigen auch Proteine ​​zur Replikation.

Eine Theorie legt nahe Sulfidische Anionen, das sind Moleküle, die in den Seen und Flüssen der frühen Erde reichlich vorhanden waren, könnten die Verbindung sein. Sie entstehen bei Vulkanausbrüchen und können, sobald sie in Wasserbecken aufgelöst sind, chemische Reaktionen beschleunigen, die präbiotische Moleküle in RNA umwandeln. Die als „RNA-Welt“-Hypothese bezeichnete Idee legt nahe, dass RNA das erste Biomolekül auf der Erde war, da sie genetische Informationen transportieren und einige chemische Reaktionen beschleunigen kann.

Eine andere Idee Meteoreinschläge auf der frühen Erde erzeugen gleichzeitig Nukleotide, Lipide und Aminosäuren, und zwar durch einen Prozess, der zwei reichlich vorhandene Chemikalien – eine von Meteoren und eine von der Erde – und einen Schuss UV-Licht umfasst.

Es gibt jedoch ein Problem: Jeder Satz Bausteine ​​erfordert eine andere chemische Reaktion. Abhängig von geringfügigen Unterschieden in der Struktur oder Chemie ist es möglich, dass an einem geografischen Standort eine bestimmte Art von präbiotischem Molekül gegenüber einer anderen bevorzugt wurde.

Wie? Die neue Studie, veröffentlicht in Natur, bietet eine Antwort.

Tunnelnetzwerke

Laborexperimente, die die frühe Erde nachahmen, beginnen normalerweise mit genau definierten Zutaten, die bereits gereinigt wurden. Wissenschaftler reinigen auch Zwischenprodukte, insbesondere bei mehreren chemischen Reaktionsschritten.

Der Prozess führe häufig zu „verschwindend geringen Konzentrationen des gewünschten Produkts“ oder seine Entstehung könne sogar völlig gehemmt werden, schrieb das Team. Die Reaktionen erfordern außerdem mehrere räumlich getrennte Kammern, was der natürlichen Umgebung der Erde kaum ähnelt.

Die neue Studie wurde von der Geologie inspiriert. Die frühe Erde verfügte über komplexe Netzwerke wassergefüllter Risse, die in einer Vielzahl von Gesteinen in Vulkanen und geothermischen Systemen zu finden waren. Die durch Überhitzung des Gesteins entstandenen Risse bildeten natürliche „Strohhalme“, die möglicherweise mithilfe eines Wärmegradienten eine komplexe Mischung von Molekülen filtern könnten.

Jedes Molekül bevorzugt aufgrund seiner Größe und elektrischen Ladung eine bevorzugte Temperatur. Wenn es unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird, bewegt es sich auf natürliche Weise in Richtung seiner idealen Wahl. Der als Thermophorese bezeichnete Prozess trennt eine Suppe aus Zutaten in einem Schritt in mehrere verschiedene Schichten.

Das Team ahmte mithilfe einer Wärmeflusskammer einen einzelnen dünnen Gesteinsbruch nach. Die Kammer hatte ungefähr die Größe einer Bankkarte und wies winzige Risse mit einem Durchmesser von 170 Mikrometern auf, etwa so breit wie ein menschliches Haar. Um einen Temperaturgradienten zu erzeugen, wurde eine Seite der Kammer auf 104 Grad Fahrenheit erhitzt und das andere Ende auf 77 Grad Fahrenheit abgekühlt.

In einem ersten Test fügte das Team eine Mischung präbiotischer Verbindungen, darunter Aminosäuren und DNA-Nukleotide, in die Kammer ein. Nach 18 Stunden trennten sich die Komponenten in Schichten wie Tiramisu. Beispielsweise konzentrierte sich Glycin – die kleinste aller Aminosäuren – nach oben, während andere Aminosäuren mit höherer thermophoretischer Stärke unten haften blieben. In ähnlicher Weise trennten sich auch DNA-Buchstaben und andere lebenserhaltende Chemikalien in den Rissen, teilweise mit einer Anreicherung von bis zu 45 Prozent.

Obwohl das System vielversprechend war, ähnelte es nicht der frühen Erde, die stark miteinander verbundene Risse unterschiedlicher Größe aufwies. Um die natürlichen Bedingungen besser nachzuahmen, reiht das Team als nächstes drei Kammern aneinander, wobei die erste in zwei weitere verzweigt. Dies war etwa 23-mal effizienter bei der Anreicherung präbiotischer Chemikalien als eine einzelne Kammer.

Mithilfe einer Computersimulation modellierte das Team dann das Verhalten eines 20 x 20 miteinander verbundenen Kammersystems unter Verwendung einer realistischen Durchflussrate präbiotischer Chemikalien. Durch die Kammern wurde das Gebräu weiter angereichert, wobei Glycin mehr als 2,000-mal stärker angereichert wurde als andere Aminosäuren.

Chemische Reaktionen

Sauberere Inhaltsstoffe sind ein guter Ausgangspunkt für die Bildung komplexer Moleküle. Viele chemische Reaktionen erfordern jedoch zusätzliche Chemikalien, die ebenfalls angereichert werden müssen. Hier konzentrierte sich das Team auf eine Reaktion, bei der zwei Glycinmoleküle zusammengefügt wurden.

Das Herzstück ist Trimetaphosphat (TMP), das die Reaktion steuert. TMP sei besonders interessant für die präbiotische Chemie und sei auf der frühen Erde knapp gewesen, erklärte das Team, weshalb „seine selektive Anreicherung entscheidend ist“. Eine einzelne Kammer erhöhte den TMP-Gehalt, wenn sie mit anderen Chemikalien gemischt wurde.

Mithilfe einer Computersimulation steigerte eine Mischung aus TMP und Glycin das Endprodukt – ein verdoppeltes Glycin – um fünf Größenordnungen.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass ansonsten anspruchsvolle präbiotische Reaktionen massiv beschleunigt werden“, schrieb das Team durch Wärmeströme, die Chemikalien selektiv in verschiedenen Regionen anreichern.

Insgesamt testeten sie über 50 präbiotische Moleküle und stellten fest, dass die Brüche sie leicht trennten. Da jeder Riss eine andere Molekülmischung aufweisen kann, könnte dies die Entstehung mehrerer lebenserhaltender Bausteine ​​erklären.

Dennoch bleibt es ein Rätsel, wie die Bausteine ​​des Lebens zu Organismen zusammenkamen. Wärmeströme und Gesteinsrisse sind wahrscheinlich nur ein Teil des Puzzles. Der ultimative Test wird darin bestehen, herauszufinden, ob und wie sich diese gereinigten Präbiotika zu einer Zelle verbinden.

Bildnachweis: Christof B. Mast

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/