Biologie Wie das Leben auf die Erde kam

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Von Jack W. Szostak und Alonso Ricardo

4. Teil: Die Idee der RNA-Selbstreplikation


Vor Kurzem erhielt die Idee der RNA-Selbstreplikation neuen Auftrieb durch Tracey Lincoln und Gerald Joyce vom Scripps Research Institute in La Jolla (Kalifornien). Sie entwickelten zwei Ribozyme, die Kopien des jeweils anderen Moleküls erzeugen können, indem sie zwei kürzere RNA-Stränge verbinden. Leider gelang das Experiment nur, wenn bereits lange und komplexe RNA-Stücke vorhanden waren, die nicht spontan hätten entstehen können. Dennoch legen die Resultate nahe, dass die katalytischen Fähigkeiten der RNA im Prinzip für die Selbstreplikation ausreichen.

Gibt es vielleicht eine einfachere Alternative? Wir und andere Forscher versuchen derzeit, genetische Moleküle ohne Hilfe von Katalysatoren zu kopieren. Wir benutzen DNA-Einzelstränge als Kopiervorlage, da DNA einfacher und billiger zu handhaben ist als RNA; wir hätten die gleichen Experimente aber auch mit RNA durchführen können. Wir fügten zuerst den Mustersträngen eine Nukleotidlösung zu und hofften, dass sich die Nukleotide gemäß den Regeln komplementärer Basenpaarung - A zu T und C zu G - an die Musterstränge binden und dann polymerisieren würden, so dass schließlich eine komplette Doppelhelix entstünde. Dies wäre der erste Schritt zur vollständigen Replikation: Nach Bildung der Doppelhelix müsste man die beiden Stränge trennen, damit der komplementäre Strang als Vorlage zur Synthese einer Kopie des Originalstrangs dient.

Mit normaler DNA oder RNA verläuft dieser Vorgang extrem langsam. Doch durch kleine Änderungen an der chemischen Struktur der Zuckerkomponente - Austausch einer Hydroxylgruppe aus Sauerstoff und Wasserstoff gegen eine Aminogruppe aus Stickstoff und Wasserstoff - geht die Polymerisation hunderte Male schneller vor sich, so dass die Gegenstränge in Stunden statt Wochen entstehen. Das neue Polymer verhält sich wie normale RNA, obwohl es Stickstoff-Phosphor-Bindungen statt der normalen Sauerstoff-Phosphor-Bindungen trägt.

Nehmen wir einmal an, dass wir unsere Wissenslücken hinsichtlich der Chemie der Lebensentstehung bald ganz schließen werden. Dann können wir schon überlegen, wie einst aus der Interaktion von Molekülen die ersten zellenähnlichen Gebilde hervorgingen.

Die Außenmembranen moderner Zellen bestehen in erster Linie aus Lipid-Doppelschichten, die sich ihrerseits aus fettigen Molekülen wie Phospholipiden und Cholesterin aufbauen. Membranen halten die einzelnen Zellkomponenten physikalisch zusammen und bilden eine Barriere gegen das unkontrollierte Ein- und Austreten großer Moleküle. In die Hülle eingebettete Proteine agieren quasi als Türhüter: Sie befördern Moleküle in die Zelle hinein oder aus ihr heraus. Andere Proteine wirken bei der Konstruktion und Reparatur der Membran mit. Wie konnte eine kümmerliche Protozelle, ganz ohne raffinierte Proteinmaschinerie, all diese Aufgaben bewältigen?

An einem einfachen Modell demonstrierten wir die Fähigkeit einer Protozelle, ihre genetische Information mit Hilfe von Nährstoffen aus der Umgebung zu kopieren. Wir präparierten Vesikel - kleine Bläschen - aus Fettsäuremembranen mit einem kurzen Stück einzelsträngiger DNA im Inneren, die als Schablone zur Herstellung eines Gegenstrangs gedacht war. Dann setzten wir den Vesikelnchemisch reaktive Versionen von Nukleotiden zu. Diese durchdrangen spontan die Membranbarriere, lagerten sich an den DNA-Strang in der Modellprotozelle an und erzeugten einen Komplementärstrang. Das Experiment stützt die Idee, dass die ersten Protozellen nicht viel mehr als RNA - oder etwas Ähnliches - enthielten und ihr Erbmaterial ohne Hilfe von Enzymen zu replizieren vermochten.

Um sich zu reproduzieren, mussten die Protozellen fähig sein, zu wachsen, ihr Erbgut zu duplizieren und sich in gleichwertige Tochterzellen zu teilen. Wie Versuche gezeigt haben, können primitive Vesikel auf mindestens zwei Arten wachsen. In einer Pionierarbeit aus den 1990er Jahren fügte Pier Luigi Luisi von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich der Lösung, in der die Vesikel schwammen, frische Fettsäuren hinzu. Die Membranen bauten die Fettsäuren ein und vergrößerten ihre Oberfläche. Indem Wasser und darin gelöste Substanzen nachströmten, vergrößerte sich auch das Zellvolumen.



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