Die Entdeckung stützt die Idee, dass sich viele Schlüsselkomponenten des Lebens schon früh gleichzeitig gebildet und zusammengefügt haben könnten, um lebende Zellen zu bilden.
„Warum haben wir Leben? Warum sehen die Regeln der Chemie so aus, wie das Leben hier aussieht?“ sagte Matthew Powner, leitender Autor der Forschungsarbeit. Das seien „einfach die fantastischsten Fragen, die wir überhaupt beantworten könnten.“
Obwohl sich Organismen im Aussehen stark unterscheiden, 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 RNA und DNA bestehen.
Das neue Laborexperiment konzentrierte sich auf die Ursprünge eines weiteren Primärmetaboliten: 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 viele Bakterien.
Konkret wollten Powner und sein Team ein bestimmtes Fragment des Coenzym-A-Moleküls namens Pantethein nachbilden. Pantethein ist der funktionelle Arm von Coenzym A, der häufig übertragen wird und andere chemische Reaktionen in unserem Körper ermöglicht. Dieses Glied wird Co-Faktor genannt und fungiert als „Ein“-Schalter – ohne ihn wäre das Coenzym unbrauchbar.
„Alle unsere Stoffwechselprozesse hängen von einer kleinen Teilmenge dieser Co-Faktoren ab“, sagte der Biologe Aaron Goldman, der nicht an der Studie beteiligt war. „Dies hat Forscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Co-Faktoren selbst möglicherweise vor größeren, komplexeren Enzymen während der Entstehung und frühen Evolution des Lebens entstanden sind.“
Einige Forscher, so Goldman, hätten vorgeschlagen, dass frühe Lebensformen Pantethein zur Energiespeicherung genutzt haben könnten, bevor sich die größere, komplexere Energiewährung entwickelte, die Zellen heute nutzen.
Wenn dies der Fall war, blieb das Rätsel bestehen: Woher kam Pantethein?
„Wir können nicht in der Zeit zurückdrehen. Wir können nicht zum Ursprung des Lebens zurückkehren. „Wir können keine Proben aus diesem Zeitraum finden“, sagte Powner, Professor am University College London. „Unsere einzige Möglichkeit, diesem Problem wirklich auf den Grund zu gehen, besteht darin, es neu aufzubauen, bei Null anzufangen, eine Zelle neu zu konstruieren und zu verstehen, was es braucht, um einen Organismus aufzubauen.“
Der Bau von Pantethein war eine große Aufgabe. Zum einen sei das Molekül nach biochemischen Maßstäben „skurril“, sagte er. Es ähnelte stark der Struktur von Peptiden (Aminosäureketten), die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden, hatte jedoch viele seltsame Eigenschaften – ungewöhnliche Elemente an seltsamen Orten –, die ihm eine kompliziertere Struktur zu verleihen schienen.
Die Verbindung ist so seltsam, dass Wissenschaftler zuvor vermuteten, sie sei zu kompliziert, um sie aus einfachen Molekülen herzustellen. Andere haben versucht, Pantethein herzustellen und sind gescheitert, weil sie dachten, dass es bei der Entstehung des Lebens nicht einmal vorhanden war. Viele Wissenschaftler dachten, die Biologie hätte eine einfache Version davon geschaffen, die sich im Laufe der Zeit immer komplizierter entwickelt hätte – so, als würde man eine Hütte bauen und sie später in ein Herrenhaus verwandeln.
Dennoch begab sich das Team ins Labor. Sie konzentrierten sich hauptsächlich auf die Verwendung von Materialien, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen sein könnten, wie Blausäure und Wasser. Die ersten Schritte der Reaktion dauerten jeweils etwa einen Tag, aber der letzte Schritt dauerte 60 Tage, was die längste Reaktion war, die Powners Labor jemals durchgeführt hat. Das Team habe die Reaktion schließlich eingestellt, „auch weil uns langweilig wurde“, sagte er. Aber das Ergebnis war viel Pantethein.
Das Team führte seinen Erfolg im Vergleich zu fehlgeschlagenen Studien anderer auf die Verwendung stickstoffbasierter Verbindungen namens Nitrile zurück. Diese Verbindungen lieferten die dringend benötigte Energie, um die Reaktionen anzukurbeln. Ohne die Nitrile ist es wie ein Rasenmäher, aber ohne Benzin, um ihn in Bewegung zu setzen.
„Ich finde es sehr überraschend, dass es niemand versucht hat. Wenn man sie einfach alle miteinander mischt, reagieren sie alle gegenseitig“, sagte Jasper Fairchild, ein Ph.D. Kandidat am University College London, der das Experiment leitete. „Man könnte meinen, dass es ein Durcheinander geben würde, aber das ist nicht der Fall. Du bekommst nur Pantethein. Und für mich ist das sehr schön.“
Auf der frühen Erde könnte die Reaktion in kleinen Wasserbecken oder Seen stattgefunden haben, sagten die Autoren. Große Ozeane hätten jedoch wahrscheinlich die Konzentration der Chemikalien verringert.
„Dies ist ein weiteres schönes Beispiel dafür, wie die Moleküle des Lebens, sogar komplexere wie Coenzyme, für die Bildung prädisponiert sind“, sagte der Chemiker Joseph Moran, der nicht an der Studie beteiligt war.
Das einfache Rezept für ein so komplex aussehendes Molekül könnte die Entstehung des Lebens auf der Erde neu erklären. In der Vergangenheit, so Powner, gingen Wissenschaftler davon aus, dass biologische Moleküle schrittweise entstanden – wie eine frühe Welt der RNA, aus der später Proteine und andere Chemikalien hervorgingen.
Die neue Entdeckung zeigt jedoch, dass viele Bausteine des Lebens gleichzeitig aus denselben Grundchemikalien und unter denselben Bedingungen entstanden sein könnten und gleichzeitig Proteine, RNA und andere Komponenten erzeugt hätten. Tatsächlich nutzten die früheren Studien des Teams ähnliche Bedingungen und Reaktionen, um Nukleotide (die bei der Bildung von DNA helfen) und Peptide (die bei der Bildung von Proteinen helfen) zu erzeugen. Diese Bausteine könnten zusammengekommen sein, miteinander reagiert und letztlich zur Entstehung des Lebens geführt haben.
Ein besseres Verständnis darüber, wie diese Komponenten entstanden und miteinander verschmolzen, könnte Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, aus statischen Materialien in einem Labor oder sogar auf einem anderen Planeten Leben zu erschaffen.
„Wir sind weit davon entfernt, das zu können [from scratch] Baue eine Zelle“, sagte Powner. „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 sich mit der wundersamen, unerwarteten und ungewöhnlichen Wissenschaft unseres Planeten und darüber hinaus befasst.