Der Ursprung des Lebens: Hat die darwinistische Evolution vor dem Leben selbst begonnen?

Eine Studie von Wissenschaftlern der Universität München zeigt, dass die grundlegenden Eigenschaften von Polymermolekülen wie ihre Zusammensetzung der Untereinheiten ausreichen, um Selektionsprozesse in einem wahrscheinlichen präbiotischen Umfeld auszulösen.

Vor dem Erscheinen des Lebens auf der Erde waren viele physikalische und chemische Prozesse auf unserem Planeten äußerst chaotisch. Viele kleine Verbindungen und Polymere unterschiedlicher Länge, die aus Untereinheiten bestehen (wie die in DNA und RNA gefundenen Basen), waren in jeder denkbaren Kombination vorhanden.

Bevor lebensechte chemische Prozesse entstehen konnten, musste das Chaos in diesen Systemen reduziert werden. In einer neuen Studie hat die LMU-Physik unter der Leitung von Dieter Brown gezeigt, dass die grundlegenden Eigenschaften einfacher Polymere zusammen mit bestimmten Aspekten der präbiotischen Umgebung zu Selektionsprozessen führen können, die Störungen reduzieren.

In früheren Veröffentlichungen untersuchte Browns Forscherteam, wie sich die räumliche Ordnung in engen, wassergefüllten Kammern in porösen Vulkangesteinen auf dem Meeresboden entwickeln kann.

Diese Studien zeigten, dass sich RNA-Stränge bei Vorhandensein eines Temperaturunterschieds und eines als Soret-Effekt bekannten konvektiven Phänomens je nach Länge lokal um mehrere Größenordnungen akkumulieren können. "Das Problem ist, dass die Basensequenzen der längeren Moleküle, die wir erhalten, völlig chaotisch sind", sagt Brown.

Entwickelte Ribozyme (RNA-basierte Enzyme) haben eine sehr spezifische Basensequenz, die es Molekülen ermöglicht, sich in bestimmte Formen zu falten, während die überwiegende Mehrheit der auf der frühen Erde gebildeten Oligomere höchstwahrscheinlich zufällige Sequenzen aufwies.

"Die Gesamtzahl der möglichen Basensequenzen, die als" Sequenzraum "bezeichnet werden, ist unglaublich groß", sagt Patrick Koudella, der Erstautor des neuen Berichts.

"Dies macht es nahezu unmöglich, komplexe Strukturen, die für funktionelle Ribozyme oder vergleichbare Moleküle charakteristisch sind, durch einen rein zufälligen Prozess zusammenzusetzen." Dies führte das LMU-Team zu dem Verdacht, dass die Expansion von Molekülen zu größeren "Oligomeren" einer Art Vorauswahlmechanismus unterliegt.

In den frühen Lebenstagen gab es im Vergleich zu den komplexen Mechanismen der Zellreplikation nur wenige sehr einfache physikalische und chemische Prozesse, daher muss die Auswahl der Sequenzen auf der Umgebung und den Eigenschaften der Oligomere basieren.

Hier kommt die Forschung von Browns Gruppe ins Spiel. Für die katalytische Funktion und Stabilität der Oligomere ist es wichtig, dass sie Doppelstränge bilden, die der bekannten helikalen Struktur der DNA ähneln. Dies ist eine elementare Eigenschaft vieler Polymere und ermöglicht die Bildung von Komplexen mit zwei- und einzelsträngigen Teilen. Einzelstrangteile können auf zwei Arten repariert werden.

Zum einen durch die sogenannte Polymerisation, bei der die Stränge mit Einzelbasen terminiert werden, um volle Doppelstränge zu bilden. Das andere ist das sogenannte Bandagieren. Dabei werden die längeren Oligomere miteinander verbunden. Hierbei werden sowohl doppelsträngige als auch einzelsträngige Teile gebildet, die für ein weiteres Wachstum des Oligomers sorgen.

„Unser Experiment beginnt mit einer großen Anzahl kurzer DNA-Stränge. In unserem Modellsystem für frühe Oligomere verwenden wir nur zwei komplementäre Basen - Adenin und Thymin“, sagt Dieter Braun. "Wir nehmen an, dass das Verknüpfen von Strängen mit zufälligen Sequenzen zu längeren Strängen mit weniger zufälligen Basensequenzen führt."

Browns Team analysierte dann die Sequenzmischungen aus diesen Experimenten unter Verwendung einer Methode, die auch bei der Analyse des menschlichen Genoms verwendet wird. Der Test bestätigte, dass die Entropie der Sequenz, dh der Grad der Störung oder Zufälligkeit in den rekonstruierten Sequenzen, in diesen Experimenten tatsächlich verringert wurde.

Die Forscher konnten auch die Gründe für diese „sich selbst erzeugende“ Ordnung identifizieren. Sie fanden heraus, dass die meisten erhaltenen Sequenzen in zwei Klassen unterteilt sind - mit Basenzusammensetzungen entweder 70% Adenin und 30% Thymin oder umgekehrt.

„Mit einem deutlich höheren Anteil einer der beiden Basen kann sich der Faden nicht von selbst falten und bleibt ein Reaktionspartner für die Ligation“, erklärt Brown. Somit bildet die Reaktion praktisch keine Stränge mit der Hälfte jeder der beiden Basen. „Wir sehen auch kleine Verzerrungen in der Zusammensetzung des kurzen DNA-Pools, die unterschiedliche positionsabhängige Motivationsmuster hinterlassen, insbesondere in den langen Produktsträngen“, sagt Brown.

Das Ergebnis überraschte die Forscher, da ein Strang aus nur zwei verschiedenen Basen mit einem bestimmten Basenverhältnis nur begrenzte Möglichkeiten zur Differenzierung aufweist. "Nur spezielle Algorithmen können so erstaunliche Details erkennen", sagen die Wissenschaftler.

Experimente zeigen, dass die einfachsten und grundlegendsten Eigenschaften von Oligomeren und ihrer Umgebung als Grundlage für selektive Prozesse dienen können. Selbst in einem vereinfachten Modellsystem können verschiedene Auswahlmechanismen ins Spiel kommen, die das Wachstum von Filamenten auf verschiedenen Längenskalen beeinflussen und das Ergebnis verschiedener Kombinationen von Faktoren sind.

Laut Dieter Braun waren diese Selektionsmechanismen eine Voraussetzung für die Bildung katalytisch aktiver Komplexe wie Ribozyme und spielten daher eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Leben aus dem Chaos.