Biologie Wie das Leben auf die Erde kam

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Von Jack W. Szostak und Alonso Ricardo

3. Teil: Künstliches Leben im Labor


So elegant dieser Weg auch erscheint, er liefert leider nicht ausschließlich die "richtigen" Nukleotide; manchmal sind Zucker und Nukleinbase nicht korrekt angeordnet. Doch erstaunlicherweise zerstört Bestrahlung mit ultraviolettem Licht - wie in seichten Gewässern auf der frühen Erde, die starker UV-Strahlung ausgesetzt waren - die "falschen" Nukleotide und lässt nur die "richtigen" übrig. Alles in allem ergibt sich ein blitzsauberer Reaktionsverlauf zu den C- und U-Nukleotiden. Freilich fehlt noch ein ebenso schöner Reaktionspfad zu G und A, aber Sutherlands Team hat jedenfalls einen wesentlichen Beitrag zur Antwort auf die Frage geleistet, wie ein so komplexes Molekül wie die RNA einst überhaupt entstehen konnte.

Künstliches Leben im Labor

Wenn wir einmal Nukleotide haben, fehlt als letzter Schritt zur Synthese eines RNA-Moleküls noch die Polymerisation: Der Zucker des einen Nukleotids bildet eine chemische Brücke zur Phosphatgruppe des nächsten, so dass sich die Nukleotide kettenförmig aneinanderreihen. Da sich die Ketten in wässriger Lösung nicht spontan bilden, benötigt auch dieser Schritt Energiezufuhr. Forschern gelang es, kurze Ketten von 2 bis 40 Nukleotiden Länge zu produzieren, indem sie einer Lösung chemisch reaktiver Nukleotidderivate verschiedene Chemikalien beifügten. Gene heute lebender Organismen sind allerdings Tausende bis Millionen Nukleotide lang. Ende der 1990er Jahre konnten Jim Ferris und seine Mitarbeiter vom Rensselaer Polytechnic Institute zeigen, dass Tonmineralien den Prozess begünstigen, wodurch Ketten mit bis zu 50 Nukleotiden entstehen. Da mineralische Oberflächen die Eigenschaft haben, Nukleotide zu binden, bringen sie die reaktiven Moleküle nahe zusammen und erleichtern so die Brückenbildung.

Diese Entdeckung bestärkte einige Forscher in ihrer Annahme, das Leben sei auf mineralischen Oberflächen entstanden - möglicherweise im lehmreichen Schlamm auf dem Grund von Tümpeln, die aus heißen Quellen gespeist wurden .

Selbst wenn man genau wüsste, wie genetisch nutzbare Polymere erstmals entstanden sind, wäre das Problem der Lebensentstehung damit noch nicht gelöst. Um als "lebendig" zu gelten, muss sich ein Organismus vermehren, das heißt seine genetische Information kopieren. In modernen Zellen erfüllen Enzyme auf Proteinbasis diese Aufgabe.

Doch wenn genetische Polymere aus geeigneten Nukleotidsequenzen bestehen, können sie durch Faltung komplexe Formen annehmen und chemische Reaktionen katalysieren - genau wie die heutigen Enzymproteine. Daher ist denkbar, dass die RNA in den allerersten Organismen ihre eigene Replikation steuerte. Das hat uns sowie David Bartel am Massachusetts Institute of Technology auf die Idee gebraucht, durch Evolution im Labor neue Ribozyme zu züchten.

Wir begannen mit Billionen zufälliger RNA-Sequenzen. Dann wählten wir diejenigen mit katalytischen Eigenschaften aus und kopierten sie. Bei jedem Kopiervorgang traten in einigen RNA-Strängen Mutationen auf, die deren katalytische Eigenschaften verbesserten. Wieder selektierten wir diese Moleküle für den nächsten Kopierschritt. Mit derart gerichteter Evolution vermochten wir Ribozyme zu schaffen, die das Kopieren anderer, relativ kurzer RNA-Stränge katalysieren. Allerdings sind sie nicht fähig, RNAs mit ihren eigenen Sequenzen zu kopieren; das heißt, sie produzieren keine direkten Nachkommen.



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