Biologie Wie das Leben auf die Erde kam

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Von Jack W. Szostak und Alonso Ricardo

2. Teil: Was ist Leben?


Nukleinbasen können in wenigen Schritten spontan aus Zyanid, Azetylen und Wasser entstehen - aus einfachen Molekülen, die auf der präbiotischen Erde sicherlich vorhanden waren. Auch Zuckermoleküle lassen sich leicht aus einfachen Ausgangssubstanzen synthetisieren. Schon seit gut 100 Jahren ist bekannt, dass beim Erhitzen einer alkalischen Lösung von Formaldehyd - auf der jungen Erde sicher verfügbar - Mischungen vieler verschiedener Zuckermoleküle entstehen. Das Problem ist nur: Wie gewinnt man den speziell zum Bau von Nukleotiden geeigneten Zucker? Im Fall der RNA ist das die Ribose. Sie ist chemisch labil und zerfällt schon in schwach alkalischen Lösungen rasch. Daraus schlossen viele Forscher bis vor Kurzem, das erste Erbmolekül habe keine Ribose enthalten können. Doch einer von uns (Ricardo) und andere Forscher haben herausgefunden, wie die Ribose stabilisiert werden kann.

Auch der Phosphatanteil der Nukleotide bereitet Kopfzerbrechen. Phosphor, das Zentralatom der Phosphatgruppe, ist in der Erdkruste zwar reichlich vorhanden, jedoch meist in Form von Mineralien, die sich in Wasser kaum lösen. Darum ist nicht offensichtlich, wie Phosphate in die präbiotische Mixtur gelangt sein sollen. Die hohen Temperaturen von Vulkanschloten können phosphathaltige Mineralien in lösliche Formen überführen, doch die so freigesetzten Mengen sind, zumindest in der Nähe heutiger Vulkane, gering. Eine völlig andere Quelle für lösliche Phosphatverbindungen ist Schreibersit oder Glanzeisen - ein seltenes Mineral, das vor allem in bestimmten Meteoriten auftritt.

Im Jahr 2005 entdeckten Matthew Pasek und Dante Lauretta von der University of Arizona, dass die Korrosion von Schreibersit in Wasser den Phosphoranteil freisetzt. Dieser Mechanismus erscheint viel versprechend: Der freigesetzte Phosphor ist nicht nur viel besser wasserlöslich als Phosphat, sondern reagiert auch viel bereitwilliger mit organischen - auf Kohlenstoff basierenden - Verbindungen.

Damit hätten wir also eine grobe Vorstellung der möglichen Abläufe, die zur Entstehung von Nukleinbasen, Zuckern und löslichem Phosphat führen. Der nächste Schritt wäre logischerweise, diese Komponenten in korrekter Weise zu verbinden. Doch gerade das bildete in den vergangenen Jahrzehnten die hartnäckigste Hürde in der präbiotischen Chemie. Einfaches Mischen der drei Komponenten in Wasser löst noch lange nicht die spontane Bildung eines Nukleotids aus - hauptsächlich deshalb, weil jede der erforderlichen Bindungsreaktionen auch ein Wassermolekül freisetzt, und so etwas kommt in wässrigen Lösungen von selbst kaum vor. Damit sich die chemischen Bindungen bilden können, muss darum Energie zugeführt werden, zum Beispiel in Form energiereicher Substanzen, an denen in der präbiotischen Welt vermutlich kein Mangel herrschte. Im Labor erwiesen sich Reaktionen, die von solchen Molekülen angetrieben werden, allerdings als völlig ineffizient.

Doch das Frühjahr 2009 brachte eine große Überraschung: John Sutherland und seine Mitarbeiter von der University of Manchester (England) verkündeten, sie hätten einen viel plausibleren Mechanismus der Nukleotidsynthese gefunden, der auch das Problem der Instabilität von Ribose umgeht. Diese raffinierten Chemiker brachen mit der Tradition, Nukleotide aus Nukleinbase, Zucker und Phosphat herstellen zu wollen. Ihr Ansatz beruht zwar auf denselben einfachen Substanzen wie früher, die aus Zyanid, Azetylen und Formaldehyd entstehen. Doch statt Nukleinbase und Ribose getrennt herzustellen und erst danach zu versuchen, sie zu verbinden, mischten sie gleich alle Ausgangsstoffe zusammen, und obendrein Phosphat. Im Verlauf einer komplizierten Reaktionsfolge, bei der das Phosphat mehrmals als unersetzlicher Katalysator wirkte, entstand ein kleines Molekül namens 2-Aminooxazol; es lässt sich als Fragment eines Zuckers auffassen, das an ein Stück einer Nukleinbase gebunden ist.

Vermutlich entstanden einst in einem frühirdischen Tümpel nebst einem Mischmasch anderer Substanzen auch geringe Mengen von 2-Aminooxazol. Dieses kleine, stabile Molekül ist sehr flüchtig. Sobald das Wasser verdunstete, verdampfte darum auch das 2-Aminooxazol, um andernorts in reiner Form wieder zu kondensieren. Dort bildete es das Ausgangsmaterial für weitere chemische Reaktionen, die zu einer Verbindung aus einem vollständigen Zucker und einer Nukleinbase führten.



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