Den Ursprung des Lebens anhand fehlender biochemischer Hinweise entschlüsseln

Der Stoffwechsel ist das „schlagende Herz der Zelle“. Neue Forschungen von ELSI zeichnen die Geschichte des Stoffwechsels von der Urerde bis zur Neuzeit nach (von links nach rechts). Der Verlauf der Substanzerkennung im Laufe der Zeit (weiße Linie) ist zyklisch und ähnelt fast einem EKG. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center/Francis Ready/NASA/ESA

Eine neue Studie zeigt, dass nur wenige „vergessene“ biochemische Reaktionen erforderlich sind, um einfache geochemische Verbindungen in komplexe Moleküle des Lebens umzuwandeln.

Der Ursprung des Lebens auf der Erde war lange Zeit ein Rätsel, das Wissenschaftlern entgangen ist. Die Hauptfrage lautet: Wie viel von der Geschichte des Lebens auf der Erde ist im Laufe der Zeit verloren gegangen? Es kommt sehr häufig bei einer Person vor Klassifizieren Die Verwendung einer biochemischen Reaktion „auslaufen“ zu lassen, und wenn dies bei genügend Arten vorkäme, könnten solche Reaktionen vom Leben auf der Erde effektiv „vergessen“ werden. Aber gibt es eine Möglichkeit, das herauszufinden, wenn die Geschichte der Biochemie voller vergessener Reaktionen ist?

Diese Frage inspirierte Forscher des Earth and Life Sciences Institute (ELSI) am Tokyo Institute of Technology und des California Institute of Technology (CalTech) in den USA. Sie glaubten, dass vergessene Chemie als Diskontinuitäten oder „Brüche“ auf dem Weg der Chemie von einfachen geochemischen Molekülen zu komplexen biologischen Molekülen auftreten würde.

Entwicklung der Biochemie der frühen Erde

Die frühe Erde war reich an einfachen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid – Molekülen, die normalerweise nicht mit der Erhaltung des Lebens in Verbindung gebracht werden. Doch vor Milliarden von Jahren war das frühe Leben auf diese einfachen Moleküle als Rohstoffquelle angewiesen. Im Laufe der Lebensentwicklung wandelten biochemische Prozesse diese Vorläufer nach und nach in Verbindungen um, die noch heute existieren. Diese Prozesse stellen die ältesten Stoffwechselwege dar.

Um ein Modell der Evolutionsgeschichte des Stoffwechsels im Biosphärenmaßstab zu erstellen, stellte das Forschungsteam eine Datenbank mit 12.262 biochemischen Reaktionen aus der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)-Datenbank zusammen. Quelle: Goldford, J.E., Nat Evol Evol (2024)

Forschungsmethodik in der Entwicklung der Biochemie

Um die Geschichte der Biochemie zu modellieren, haben die ELSI-Forscher – der eigens dafür ernannte außerordentliche Professor Harrison B. Smith und der speziell ernannte außerordentliche Professor Liam M. Longo und außerordentlicher Professor Sean Erin McGlynn erstellten in Zusammenarbeit mit dem Forschungswissenschaftler Joshua Goldford vom California Institute of Technology eine Bestandsaufnahme der Biochemie. Alle bekannten biochemischen Reaktionen, um die Arten der Chemie zu verstehen, zu denen das Leben fähig ist.

Sie wandten sich an die Datenbank Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, die mehr als 12.000 biochemische Reaktionen katalogisierte. Mit dem vorliegenden Feedback begannen sie, die schrittweise Entwicklung des Stoffwechsels zu modellieren.

Herausforderungen bei der Modellierung der Stoffwechselentwicklung

Frühere Versuche, die Evolution des Stoffwechsels auf diese Weise zu modellieren, scheiterten stets daran, die am weitesten verbreiteten und komplexesten Moleküle zu produzieren, die das moderne Leben nutzt. Der Grund war jedoch nicht ganz klar. Als die Forscher ihr Modell erneut durchführten, stellten sie fest, dass nur eine kleine Anzahl von Verbindungen hergestellt werden konnte.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, ins Stocken geratene Chemie durch manuelle Zufuhr frischer Verbindungen zu katalysieren. Die Forscher wählten einen anderen Ansatz: Sie wollten ermitteln, wie viele es waren Interaktionen Er wurde vermisst. Ihre Forschung führte sie zu einem der wichtigsten Moleküle der Biochemie: Adenosintriphosphat (ATP).

ATP-Engpass und seine Lösung

ATP ist die Energiewährung der Zelle, da es zur Katalyse von Reaktionen – wie dem Aufbau von Proteinen – verwendet werden kann, die in Wasser nicht stattfinden. ATP hat jedoch eine einzigartige Eigenschaft: Die Reaktionen, die ATP selbst bilden, erfordern ATP. Mit anderen Worten: Sofern ATP nicht bereits vorhanden ist, gibt es heute im Leben keine andere Möglichkeit, ATP herzustellen. Diese zyklische Abhängigkeit war der Grund, warum das Modell aufhörte.

Wie kann dieser „ATP-Engpass“ gelöst werden? Es stellt sich heraus, dass der reaktive Teil von ATP einer anorganischen Polyphosphatverbindung bemerkenswert ähnlich ist. Dadurch, dass ATP-erzeugende Reaktionen Polyphosphate anstelle von ATP verwenden können – durch die Modifikation von insgesamt nur acht Reaktionen – sind nahezu alle modernen Grundstoffwechselprozesse möglich. Forscher können dann das relative Alter aller gängigen Metaboliten abschätzen und spezifische Fragen zur Geschichte der Stoffwechselwege stellen.

Stoffwechselwege: linear versus mosaikartig

Eine solche Frage ist, ob biologische Pfade linear aufgebaut wurden – eine Reaktion nach der anderen wurde nacheinander hinzugefügt – oder ob die Interaktionen der Pfade als Mosaik entstanden sind, in dem Interaktionen sehr unterschiedlichen Alters zusammengefügt werden, um die Bildung von zu bilden etwas Neues. Die Forscher konnten dies messen und fanden heraus, dass beide Arten von Signalwegen in allen Stoffwechselprozessen nahezu gleich häufig vorkommen.

Fazit und Implikationen

Aber zurück zu der Frage, die die Studie inspirierte: Wie viel Biochemie geht im Laufe der Zeit verloren? „Wir werden es vielleicht nie genau wissen, aber unsere Forschung hat einen wichtigen Hinweis geliefert: Nur acht neue Reaktionen, die alle an gängige biochemische Reaktionen erinnern, sind erforderlich, um die Lücke zwischen Geochemie und Biochemie zu schließen“, sagt Smith.

„Das beweist nicht, dass der Bereich der fehlenden Biochemie klein ist, aber es zeigt, dass selbst ausgestorbene Reaktionen durch die Hinweise, die die moderne Biochemie hinterlassen hat, wiederentdeckt werden können“, schließt Smith.

Referenz: „Primitive Purin-Biosynthese verbindet antike Geochemie mit modernem Stoffwechsel“ von Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, William M. Longo, Boswell A. Wing und Shun Erin McGlynn, 22. März 2024, Naturökologie und Evolution.
doi: 10.1038/s41559-024-02361-4