Die Frage, wie das Leben auf unserem Planeten entstanden ist, haben wir noch nicht vollständig beantwortet, aber die Wissenschaft rückt immer näher – und eine neue Studie identifiziert die Strukturen der Proteine, die möglicherweise dazu geführt haben.
Zunächst entschied sich das Team hinter der Studie, von der Prämisse auszugehen, dass das Leben, wie wir es kennen, davon abhängt, Energie zu sammeln und zu nutzen. In der Ursuppe der alten Erde wäre diese Energie höchstwahrscheinlich vom Himmel gekommen, in Form von Sonnenstrahlung, oder aus dem tiefen Inneren der Erde selbst, als Wärme, die durch hydrothermale Quellen auf dem Grund der alten Meere sickert.
Auf molekularer Ebene bedeutet dieser Energieverbrauch die Übertragung von Elektronen, den grundlegenden chemischen Prozess, bei dem sich ein Elektron von einem Atom oder Molekül zu einem anderen bewegt. Elektronentransfer ist das Herzstück von Oxidations-Reduktions-Reaktionen (auch als Redox-Reaktionen bekannt), die für einige der Grundfunktionen des Lebens von entscheidender Bedeutung sind.
Da Metalle die besten Elemente für den Elektronentransfer sind und die komplexen Moleküle namens Proteine die meisten biologischen Prozesse antreiben, beschlossen die Forscher, die beiden zu kombinieren und nach Proteinen zu suchen, die Metalle binden.
Ein methodischer, rechnerischer Ansatz wurde verwendet, um metallfindende Proteine zu vergleichen und bestimmte gemeinsame Merkmale aufzudecken, die bei allen übereinstimmten – unabhängig von der Proteinfunktionalität, dem Metall, an das es bindet, oder dem beteiligten Organismus.
„Wir haben gesehen, dass die metallbindenden Kerne bestehender Proteine tatsächlich ähnlich sind, auch wenn die Proteine selbst es vielleicht nicht sind“, sagt die Mikrobiologin Yana Bromberg von der Rutgers University-New Brunswick in New Jersey.
„Wir haben auch gesehen, dass diese metallbindenden Kerne oft aus sich wiederholenden Unterstrukturen bestehen, ähnlich wie Legosteine. Seltsamerweise wurden diese Blöcke auch in anderen Regionen der Proteine gefunden, nicht nur in metallbindenden Kernen, und in vielen anderen Proteinen die in unserer Studie nicht berücksichtigt wurden.“
Diese gemeinsamen Merkmale könnten durchaus in den frühesten Proteinen vorhanden gewesen sein und funktioniert haben, schlagen die Forscher vor, und sich im Laufe der Zeit zu den Proteinen verändert, die wir heute sehen – aber bestimmte gemeinsame Strukturen beibehalten haben.
Man geht davon aus, dass lösliche Metalle im Archaischen Ozean, der die Erde vor Tausenden von Millionen von Jahren bedeckte, verwendet worden sein könnten, um die für die Energieübertragung und damit für biologisches Leben erforderliche Elektronenverschiebung anzutreiben.
„Unsere Beobachtung deutet darauf hin, dass Umlagerungen dieser kleinen Bausteine möglicherweise einen einzigen oder wenige gemeinsame Vorfahren hatten und die gesamte Palette der derzeit verfügbaren Proteine und ihrer Funktionen hervorgebracht haben“, sagt Bromberg. “Das heißt, zum Leben, wie wir es kennen.”
Insbesondere war das Team in der Lage, Evolutionen in Proteinfaltungen zu identifizieren – die Formen, die Proteine annehmen, wenn sie biologisch aktiv werden – die möglicherweise die Proteine hervorgebracht haben, die wir heute kennen, fast wie ein molekulares Stammbaumprojekt.
Die Studie kommt auch zu dem Schluss, dass biologisch funktionelle Peptide, die kleineren Versionen von Proteinen, möglicherweise älter waren als die frühesten Proteine, die bis vor 3,8 Milliarden Jahren zurückreichen. All dies trägt zu unserem Verständnis darüber bei, wie das Leben begann.
Wie immer kann jede Analyse der Anfänge des Lebens auf der Erde wichtig sein, um auch nach Leben auf anderen Planeten zu suchen, wo sich das Leben entlang ähnlicher biologischer Pfade zu entwickeln beginnt (oder bereits entwickelt hat).
„Wir haben nur sehr wenige Informationen darüber, wie das Leben auf diesem Planeten entstanden ist, und unsere Arbeit trägt zu einer bisher nicht verfügbaren Erklärung bei“, sagt Bromberg. „Diese Erklärung könnte möglicherweise auch zu unserer Suche nach Leben auf anderen Planeten und Planetenkörpern beitragen.
„Unsere Entdeckung der spezifischen Strukturbausteine ist möglicherweise auch für die Bemühungen in der Synthetischen Biologie relevant, wo Wissenschaftler gezielt aktive Proteine neu konstruieren wollen.“
Die Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.