Wissenschaftler kommen der Lösung des chemischen Rätsels um den Ursprung des Lebens immer näher

Diese Entdeckung stützt die Idee, dass sich viele der Schlüsselkomponenten des Lebens schon früh gebildet und zu lebenden Zellen verbunden haben könnten.

„Warum haben wir Leben? Warum bedeuten die Regeln der Chemie, dass das Leben hier so aussieht, wie es aussieht?“, sagte Matthew Bower, leitender Autor des Buches Forschungsbericht. Das seien „einfach die faszinierendsten Fragen, die wir beantworten können.“

Obwohl Organismen im Aussehen sehr unterschiedlich sind, bestehen sie aus denselben grundlegenden chemischen Bausteinen, den sogenannten Primärmetaboliten, die direkt am Zellwachstum und der Zellentwicklung beteiligt sind. Beispiele hierfür sind Aminosäuren, die beim Aufbau von Proteinen helfen, und Nukleotide, aus denen Ribonukleinsäure (RNA) und DNA besteht.

Das neue Laborexperiment konzentrierte sich auf die Ursprünge eines weiteren essentiellen Metaboliten: Coenzym A, das im Mittelpunkt des Stoffwechsels in allen Lebensbereichen steht (als eine seiner vielen Funktionen). Beispielsweise spielt die Verbindung eine wichtige Rolle bei der Energiefreisetzung aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen in Organismen, die Sauerstoff benötigen, erfüllt aber auch Stoffwechselfunktionen in Lebensformen, die keinen Sauerstoff benötigen, wie beispielsweise viele Bakterien.

Konkret wollten Pawner und sein Team einen bestimmten Teil des Coenzym-A-Moleküls namens Pantethin nachbilden. Pantethin ist der funktionelle Arm von Coenzym A und wird häufig transportiert und ermöglicht das Auftreten anderer chemischer Reaktionen im Körper. Dieses Ende wird Cofaktor genannt und fungiert wie ein Schalter, ohne ihn wäre das Coenzym nicht nutzbar.

„Alle unsere Stoffwechselprozesse hängen von einer kleinen Teilmenge dieser gemeinsamen Faktoren ab“, sagte Aaron Goldman, ein Biologe am Oberlin College, der nicht an der Studie beteiligt war. „Dies hat Forscher zu der Annahme veranlasst, dass dieselben gemeinsamen Faktoren größeren, komplexeren Enzymen während der Entstehung und frühen Evolution des Lebens vorausgegangen sein könnten.“

Einige Forscher haben vorgeschlagen, dass frühe Lebensformen Pantethin zur Energiespeicherung genutzt haben könnten, bevor sich die größeren, komplexeren Energiewährungszellen entwickelten, die heute verwendet werden, sagte Goldman.

Wenn ja, bleibt das Rätsel: Woher kommt Pantethin?

„Wir können nicht in der Zeit zurückgehen. Wir können nicht zum Ursprung des Lebens zurückkehren. Wir können keine Proben aus diesem Zeitrahmen finden“, sagte Pawner, Professor am University College London. „Unsere einzige Möglichkeit, sie zu bekommen.“ Der Kern dieses Problems besteht darin, es zu rekonstruieren und „von Grund auf neu zu beginnen, die Zelle neu zu konstruieren und zu verstehen, was es braucht, um einen Organismus aufzubauen.“

Der Bau von Pantethene war schwierig. Er sagte, das Molekül sei nach biochemischen Maßstäben „seltsam“. Es ähnelte stark der Struktur von Peptiden (Aminosäureketten), die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden, hatte jedoch einige seltsame Eigenschaften – ungewöhnliche Elemente, die sich an seltsamen Orten befanden –, die ihm eine komplexere Struktur zu verleihen schienen.

Die Verbindung ist so seltsam, dass Wissenschaftler zuvor vermuteten, sie sei zu komplex, um aus Grundmolekülen hergestellt zu werden. Andere haben versucht, Pantethen herzustellen, sind aber gescheitert, weil sie glaubten, dass es in den Ursprüngen des Lebens noch nicht einmal existierte. Viele Wissenschaftler glaubten, dass die Biologie eine einfache Version davon geschaffen hatte, die sich im Laufe der Zeit immer komplexer entwickelt hätte, beispielsweise durch den Bau einer Hütte und deren spätere Umwandlung in einen Palast.

Das Team ging jedoch ins Labor. Sie konzentrierten sich hauptsächlich auf die Verwendung von Materialien, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen wären, wie etwa Blausäure und Wasser. Die ersten Schritte der Reaktion dauerten etwa einen Tag, aber der letzte Schritt dauerte 60 Tage, die längste Reaktion, die jemals im Boulder-Labor durchgeführt wurde. Das Team reagierte schließlich nicht mehr, „auch weil uns langweilig wurde“, sagte er. Aber das Ergebnis war viel Pantethin.

Der Erfolg des Teams im Vergleich zu fehlgeschlagenen Studien, die von anderen mit stickstoffbasierten Verbindungen namens Nitril durchgeführt wurden. Diese Verbindungen lieferten die dringend benötigte Energie zur Katalyse von Reaktionen. Ohne Nitril ist es wie ein Rasenmäher, aber ohne Benzin, um ihn zu bewegen.

„Ich finde es sehr überraschend, dass es noch niemand versucht hat. Wenn man sie alle miteinander mischt, reagieren sie alle gegenseitig“, sagte Jasper Fairchild, Doktorand am University College London, der das Experiment leitete. Auf das Chaos, aber du nicht. Sie können einfach Pantethin bekommen. Und für mich ist das sehr schön.

Die Forscher sagten, dass die Reaktion auf der frühen Erde in kleinen Wasserbecken oder Seen stattgefunden haben könnte. Große Ozeane haben jedoch wahrscheinlich die Konzentration der Chemikalien verringert.

Der Chemiker Joseph Moran, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte: „Dies ist ein weiteres schönes Beispiel dafür, wie die Moleküle des Lebens, selbst die komplexesten wie Coenzyme, im Begriff sind, sich zu bilden.“

Ein einfaches Rezept für ein solch komplexes Molekül könnte die Entstehung des Lebens auf der Erde neu erklären. In der Vergangenheit, so Pawner, hätten Wissenschaftler vermutet, dass biologische Moleküle allmählich, also früh, auftauchten Die Welt der RNA Was später zur Entstehung von Proteinen und anderen Chemikalien führte.

Die neue Entdeckung zeigt jedoch, dass viele der wesentlichen Elemente des Lebens gleichzeitig aus denselben Grundchemikalien und unter denselben Bedingungen entstanden sein könnten und gleichzeitig Proteine, RNA und andere Komponenten produziert hätten. Tatsächlich nutzten die früheren Studien des Teams ähnliche Bedingungen und Reaktionen, um Nukleotide (die bei der Herstellung von DNA helfen) und Peptide (die bei der Herstellung von Proteinen helfen) zu erzeugen. Diese Grundelemente könnten zusammengekommen sein, miteinander interagiert haben und letztendlich zur Entstehung des Lebens geführt haben.

Ein besseres Verständnis darüber, wie diese Komponenten entstehen und miteinander verschmelzen, könnte Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, im Labor oder sogar auf einem anderen Planeten Leben aus stabilen Materialien zu erschaffen.

„Davon sind wir weit entfernt [from scratch] „Bauen Sie einen Bienenstock“, sagte Pawner. „Das passiert vielleicht nicht zu meinen Lebzeiten, aber wir sind auf dem Weg zu verstehen, wie diese Moleküle zusammenarbeiten.“

Dieser Artikel ist Teil von Verborgener Planeteine Kolumne, die die wundersame, unerwartete und bizarre Wissenschaft unseres Planeten und darüber hinaus erforscht.