Wodurch wurde das erste Leben angetrieben? Das RNA-Enzym, das GTP produziert, öffnet die Tür zur "RNA-Welt".

Was war der „Treibstoff“, der den Beginn des Lebens antrieb?

Leben ist nicht nur eine Ansammlung von Materie. Es ist ein System, das Energie von außen aufnimmt, sich selbst erhält, Informationen weitergibt und sich allmählich verändert. Aber was war der „Treibstoff“, der ein solches System in der frühen Phase der Erde, als es noch keine Zellen, keine Protein-Enzyme und keine komplexen Stoffwechselwege gab, antrieb?

Eine Studie, die dieser Frage nachgeht, wurde von einem Forscherteam der UC San Diego veröffentlicht. Im Mittelpunkt steht die „RNA-Welt“-Hypothese, die besagt, dass RNA eine zentrale Rolle spielte. In der heutigen Welt speichern DNA genetische Informationen, Proteine übernehmen die meisten chemischen Reaktionen, und RNA vermittelt zwischen beiden. In der frühen Phase des Lebens könnte RNA jedoch sowohl ein Informationsmolekül als auch ein Katalysator für chemische Reaktionen gewesen sein.

Moleküle, bei denen RNA als Katalysator wirkt, werden „Ribozyme“ genannt. In der aktuellen Studie gelang es, die Leistung eines Ribozym zu verbessern, das Guanosintriphosphat (GTP) herstellt, ein Molekül, das für die Verlängerung von RNA notwendig ist. GTP ist auch in modernen Lebewesen ein wichtiges Energie- und Informationsmolekül und ein Baustein von RNA. Wenn primitive RNA-Systeme in der Lage gewesen wären, GTP selbst zu produzieren, hätte dies einen großen Vorteil für die Selbstreplikation bedeutet.

Warum ist GTP wichtig?

Wenn man RNA mit einem Text vergleicht, entspricht GTP einem der Buchstaben, aus denen dieser Text besteht. RNA besteht aus Bausteinen, die Nukleotide genannt werden. Um diese Bausteine zu einer langen Kette zu verbinden, reicht es nicht aus, dass die Materialien einfach im Wasser schweben. Es ist eine chemische „Schubkraft“ erforderlich, um die Bausteine zu verbinden.

In modernen Lebewesen übernehmen Nukleosidtriphosphate wie ATP und GTP diese Rolle. Wie der Name „Triphosphat“ andeutet, besitzen sie mehrere Phosphatgruppen und nutzen die Energie aus deren Bindungen, um Reaktionen voranzutreiben. Für die Synthese von RNA sind solche aktivierten Bausteine notwendig.

Das Problem ist, wie solche energiereichen Moleküle auf der Erde vor der Entstehung des Lebens hergestellt werden konnten. Ohne Protein-Enzyme konnte der ausgeklügelte Stoffwechsel moderner Zellen nicht genutzt werden. In einem Stadium, in dem Zellmembranen, Gene und Enzymnetzwerke noch unvollständig waren, konnte RNA einen Mechanismus zur Herstellung ihrer eigenen Materialien besitzen? Die aktuelle Studie zeigt, dass „zumindest im Labor RNA-Katalysatoren in diese Richtung evolvieren können“.

Auswahl der „effizientesten Moleküle“ aus 100 Billionen RNA-Kandidaten

Das Forscherteam erstellte eine riesige Molekülbibliothek mit etwa 100 Billionen Varianten, indem es zahlreiche Mutationen zu einem bestehenden GTP-synthetisierenden Ribozym hinzufügte. Dies ist ein Ansatz, bei dem eine große Anzahl von RNA-Molekülen mit geringfügigen Sequenzunterschieden bereitgestellt wird, um die effizientesten herauszufinden.

Für diese Auswahl wurde eine Emulsionstechnik verwendet, bei der Wassertropfen in Öl dispergiert werden. Indem RNA-Moleküle in kleinen Wassertropfen eingeschlossen werden, kann man leichter erkennen, wie viel GTP jedes Molekül produziert und wie sehr dieses GTP zur RNA-Synthese beiträgt. Es ist ein Experiment, das unzählige winzige Reagenzgläser gleichzeitig laufen lässt.

Wichtig ist, dass nicht nur die Fähigkeit zur GTP-Produktion gemessen wurde, sondern dass das GTP so konzipiert wurde, dass es mit der RNA-Polymerase-Ribozym-vermittelten RNA-Verlängerung verbunden ist. Mit anderen Worten, durch die „metabolische Verbindung“ von GTP-Synthese und RNA-Polymerisation wurde die Auswahl in einer Weise durchgeführt, die einer lebensähnlicheren Funktion näherkommt.

Das Ergebnis war, dass das Forschungsteam eine Mutante fand, die die GTP-Umsatzrate im Vergleich zu herkömmlichen Typen erheblich steigerte. Laut Bericht hatte die effizienteste Mutante 19 Mutationen und erhöhte die GTP-Umsatzrate auf etwa 13. Das vorherige Ribozym hatte einen Umsatz von etwa 1,7, was eine erhebliche Verbesserung darstellt. In einem allgemeinverständlichen Artikel wird erwähnt, dass das produktivste Ribozym etwa zehnmal mehr GTP als der Vorläufer produzierte.

Es wurde nicht „Leben erschaffen“, sondern ein „Teil eines lebensähnlichen Kreislaufs“ rekonstruiert

Beim Lesen dieser Studie sollte man beachten, dass im Labor kein Leben erschaffen wurde. Gezeigt wurde ein Teil der Koppelung, bei der ein primitives RNA-System Energiemoleküle herstellt und diese Energiemoleküle zur Verlängerung von RNA-Ketten verwendet. Dies ist keine vollständige Rekonstruktion der Entstehung des Lebens.

In der Forschung zur Entstehung des Lebens ist dieser „Teil“ jedoch von großer Bedeutung. Damit das Leben beginnen kann, müssen Moleküle mit Informationen repliziert werden. Allerdings erfordert die Replikation Materialien und Energie. Auch wenn Materialien vorhanden sind, wird die Information nicht vermehrt, wenn die Reaktion, die sie verbindet, nicht voranschreitet. Umgekehrt kann Evolution nicht beginnen, wenn es keinen Mechanismus zur Speicherung von Informationen gibt, selbst wenn Energie vorhanden ist.

Das aktuelle Ergebnis zeigt, dass RNA die Möglichkeit hat, die Reaktion „zur Herstellung ihrer eigenen Materialien“ mit der Reaktion „zur Verlängerung von Molekülen, die ihr ähnlich sind“ zu verbinden. Dies ist von großer Bedeutung, wenn man über frühes Leben nachdenkt, bei dem die Grenzen zwischen Stoffwechsel und Vererbung noch nicht getrennt waren.

In modernen Zellen sind Stoffwechsel, Vererbung, Membranen und Proteinsynthese komplex aufgeteilt. Am Anfang des Lebens gab es jedoch wahrscheinlich keine solche Arbeitsteilung. Es wird angenommen, dass wenige Moleküle mehrere Rollen übernahmen und dass ein zufällig gut verbundenes Netzwerk chemischer Reaktionen allmählich selbst erhaltend wurde. Die Rekonstruktion dieser frühen Phase im Labor ist unerlässlich, um den Weg zur Entstehung des Lebens konkret zu überprüfen.

Polyphosphate als „wahrscheinliche Energiequelle“

Ein weiterer Schlüssel der Forschung sind Polyphosphate. Polyphosphate sind Moleküle, bei denen Phosphate in einer Kette verbunden sind, und sie gelten als mögliche Energiequelle, die auch auf der frühen Erde existiert haben könnte. In der aktuellen Studie ist das polyphosphorylierte Reagenz cyclisches Trimethaphosphat an der Reaktion zur Herstellung von GTP aus Guanosin beteiligt.

In der Forschung zur Entstehung des Lebens stellt sich oft die Frage: „Diese Reaktion ist im Labor möglich, aber gab es wirklich die Materialien auf der frühen Erde?“ Mit starken modernen Reagenzien oder zu künstlichen Umgebungen können chemische Reaktionen vielleicht vorangetrieben werden. Aber das erklärt nicht den Ursprung des Lebens.

Deshalb ist der Versuch, wie in der aktuellen Studie, eine „wahrscheinliche präbiotische Energiequelle“ mit der RNA-Polymerisation zu verbinden, sinnvoll. Natürlich muss weiter untersucht werden, wo auf der frühen Erde, in welcher Konzentration und wie stabil solche Moleküle existierten. Dennoch konkretisiert die Idee, dass RNA Energie aus Polyphosphaten nutzen kann, um Materialien für ihre eigene Synthese bereitzustellen, die RNA-Welt-Hypothese einen Schritt weiter.

Wie weit ist die RNA-Welt-Hypothese fortgeschritten?

Die RNA-Welt-Hypothese ist faszinierend, aber es gibt noch viele ungelöste Probleme. RNA wird als starker Kandidat für frühes Leben angesehen, da sie Informationen trägt und als Katalysator fungieren kann. Es bleiben jedoch Herausforderungen, wie RNA in einer präbiotischen Umgebung hergestellt werden kann, wie RNA von ausreichender Länge stabilisiert werden kann, wie Replikationsfehler minimiert werden können und wie die für Reaktionen notwendige Energie bereitgestellt werden kann.

Die aktuelle Studie hat sich insbesondere mit den Herausforderungen der „Energieversorgung“ und der „Verbindung der RNA-Polymerisation“ befasst. Durch die Verbesserung der Leistung des GTP-synthetisierenden Ribozym wird die Möglichkeit realistischer, dass RNA eine Rolle in der Nähe der Selbstversorgung mit ihren eigenen Materialien übernehmen kann.

Allerdings wird RNA nicht nur mit GTP vervollständigt. RNA benötigt mehrere Nukleotide, die G, A, C und U entsprechen, und die Verbesserung der GTP-Synthese ist nur ein Teil des Ganzen. Auch wenn es wichtig ist, dass RNA-Polymere bis zu mehreren Guanosinen aufnehmen können, ist man noch weit davon entfernt, ein sich selbst replizierendes langes RNA-Genom zu erstellen. Daher ist diese Studie eher als „eine experimentelle Stärkung eines der für die Entstehung des Lebens notwendigen Teile“ zu sehen, als als „entscheidender Beweis für die Entstehung des Lebens“.

Auf sozialen Medien wird es vor allem in Fachkreisen ruhig geteilt

Die Reaktion auf diese Studie in den sozialen Medien ist derzeit weniger eine explosive Verbreitung als vielmehr ein ruhiges Teilen durch hochspezialisierte Gemeinschaften und wissenschaftliche Nachrichtenkonten.

In der Astrobiologie-Community von Reddit wurde der Artikel der UC San Diego als „Research“ gepostet. Allerdings gab es in den Kommentaren, soweit überprüfbar, wenig auffällige Diskussionen, und der Schwerpunkt lag auf Anleitungen durch automatische Moderatoren. Dies deutet darauf hin, dass das Thema nicht von geringem Wert ist, sondern dass es aufgrund seiner hohen Fachlichkeit für allgemeine Nutzer schwer zugänglich ist.

Auf LinkedIn stellte das San Diego Biotech Network diese Studie vor und teilte den Punkt, dass ein frühes biologisches System, das GTP produzieren kann, für die Selbstreplikation von Vorteil ist. Auch hier überwiegt die Vorstellung als Biotech- und Lebenswissenschafts-Nachricht über emotionale Reaktionen.

Auch auf X ist zu sehen, dass Astrobiologie-bezogene Konten und Nutzer den Artikel teilen. Der Schwerpunkt der Reaktionen liegt auf dem Interesse an der Frage „Was trieb das früheste Leben auf der Erde an?“ und erreicht diejenigen, die auf Schlüsselwörter wie Ursprung des Lebens, Astrobiologie und RNA-Welt reagieren.

Insgesamt ist die Stimmung in den sozialen Medien nicht „eine großartige Entdeckung“, die die Massen begeistert, sondern eine eher fachliche Wahrnehmung als „ein wichtiges Puzzleteil in der Forschung zur Entstehung des Lebens“. Obwohl es ein Thema ist, das sich leicht in eine auffällige Schlagzeile verwandeln lässt, sind die tatsächlichen Ergebnisse sehr präzise und schrittweise. Daher ist es bei der Vermittlung der Forschungsergebnisse ehrlicher, nicht übermäßig zu behaupten, „Leben wurde erschaffen“, sondern zu sagen, „es wurde untersucht, wie nah die Welt der RNA an die Selbstaufrechterhaltung herankommen kann“.

Warum ist diese Forschung auch für die Astrobiologie relevant?

Die Forschung zur Entstehung des Lebens ist nicht nur ein Fachgebiet, das sich mit der Vergangenheit der Erde befasst. Wenn wir verstehen, unter welchen Bedingungen Leben beginnen kann, ändert sich auch die Perspektive, wenn wir nach Leben auf dem Mars, Europa, Enceladus oder fernen Exoplaneten suchen.

Für Leben sind nicht nur Wasser, Kohlenstoff und organische Moleküle notwendig. Es ist ein Energiefluss erforderlich, um Reaktionen voranzutreiben. In welcher Umgebung und mit welchen Molekülen wird die Replikation von Informationen mit dem Stoffwechsel verbunden? Wenn diese Bedingungen klarer werden, wird auch deutlicher, welche „chemischen Reaktionen zu beachten sind“, wenn wir im Universum nach Leben suchen.

Die aktuelle Studie verbindet als Labor-Modell der RNA-Welt die Beziehung zwischen Energiequelle, Katalysator und RNA-Synthese. Dies ist auch eine Referenz, um über die Bedingungen nachzudenken, unter denen lebensähnliche Chemie an Orten außerhalb der Erde beginnen könnte. Zum Beispiel, welche Moleküle könnten in Himmelskörpern mit Ozeanen unter Eis oder in Umgebungen, in denen Energiegradienten auf Mineraloberflächen entstehen, an selbstvermehrenden Reaktionsnetzwerken teilnehmen? Diese Fragen bieten eine experimentelle Grundlage.

Leben entstand nicht auf einmal

Wenn wir von „der Entstehung des Lebens“ sprechen, stellen wir uns oft vor, dass sich unbelebte Materie in einem Moment in Leben verwandelt hat. Tatsächlich war die Grenze zwischen Leben und Nichtleben jedoch wahrscheinlich kontinuierlich. Zunächst waren es nur chemische Reaktionen, die Energie aus der Umgebung aufnahmen, Materialien sammelten, ähnliche Moleküle vermehrten und Mutationen und Selektion unterworfen wurden. Irgendwo in diesem Prozess traten die Eigenschaften auf, die wir als Leben bezeichnen.

Die aktuelle Ribozym-Forschung schneidet eine Szene aus diesem kontinuierlichen Prozess heraus. GTP wird hergestellt. RNA wird verlängert. Effizientere Moleküle werden ausgewählt. All dies sind Phänomene, die als Vorstufen der Evolution bezeichnet werden können. Es sind noch keine Zellen. Es sind noch keine Lebewesen. Dennoch gibt es einen Keim der Lebensähnlichkeit.

Flache Wasserpfützen auf der frühen Erde, vulkanische Aktivitäten, Mineraloberflächen, wiederholte Trockenheit und Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Blitze, hydrothermale Umgebungen. Auf solchen vielfältigen Bühnen wurden unzählige chemische Reaktionen ausprobiert. Wenn unter ihnen zufällig eine Reaktion, die Informationen und Energie verbindet, stabil wurde, ausgewählt und komplexer wurde, dann ist die aktuelle Forschung ein Versuch, diese „Verbindung“ im Labor nachzubilden.

Nicht spektakulär, aber ein tiefer Fortschritt

Dieses Ergebnis ist für die Allgemeinheit etwas schwer zu vermitteln. Es hat nicht den intuitiven Einfluss eines neuen Dinosaurierfossils oder eines Lebensspurenkandidaten auf dem Mars. Aber es ist von grundlegender Bedeutung, um über die Entstehung des Lebens nachzudenken.

Für den Beginn des Lebens war nicht nur die Replikation von Informationsmolekülen erforderlich, sondern auch ein Energiesystem, das diese Replikation unterstützt. Die aktuelle Studie zeigt, dass RNA-Katalysatoren GTP liefern und dieses GTP für die RNA-Polymerisation verwendet wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Leistung durch Mutationen und Selektion verbessert werden kann. Dies zeigt erneut, dass die RNA-Welt nicht nur eine Hypothese ist, sondern ein Gegenstand, der experimentell schrittweise überprüft werden kann.

Natürlich ist das Gesamtbild der Entstehung des Lebens noch weit entfernt. Es bleiben viele Herausforderungen, wie andere Nukleotide als GTP, die Stabilität von RNA-Sequenzen, die Beziehung zu Membranstrukturen, die Realisierbarkeit von Umweltbedingungen und die Vollendung eines Selbstreplikationssystems. Dennoch hat die aktuelle Forschung den „Motor“ des frühen Lebens ein Stück weit gestärkt.

Der Beginn des Lebens war möglicherweise kein mysteriöses einmaliges Wunder, sondern eine Ansammlung chemischer Reaktionen. Kleine RNA-Moleküle nehmen Energie auf und verlängern allmählich ähnliche Moleküle.