Die Autokatalyse kleiner Moleküle könnte den Weg für die Entstehung der Evolution durch natürliche Selektion geebnet haben

Die Disziplin der Systemchemie befasst sich mit der Analyse und Synthese verschiedener autokatalytischer Systeme und ist daher eng mit der Erforschung der Entstehung des Lebens verbunden, da sie Systeme untersucht, die als Übergang zwischen chemischer und biologischer Evolution betrachtet werden können: komplexer als einfach Moleküle, aber einfacher als lebende Zellen.

Tibor Gánti beschrieb bereits 1978 die Theorie der sich selbst replizierenden Mikrosphären. Diesen fehlte noch genetisches Material, aber in ihren Membranen verbarg sich ein autokatalytisches Stoffwechselnetzwerk aus kleinen Molekülen, die innerhalb ihrer Membranen isoliert (kompartimentiert) waren.

Während der autokatalytische Prozess stattfindet, wird auch das membranbildende Material produziert, was zur Teilung der Kugel führt. Dieses System scheint eine lebende Zelle zu sein, und obwohl ihm genetisches Material fehlt, kann dies nur experimentell überprüft werden. Diese Mikrosphären können als „infrabiologische“ chemische Systeme betrachtet werden, da sie nicht die Ebene der biologischen Organisation erreichen, aber die Komplexität normaler chemischer Reaktionen übersteigen.

Vor Jahren begannen wir über die Möglichkeit nachzudenken, den Prozess experimentell zu realisieren, bei dem das Wachstum eines Stoffwechselnetzwerks aus kleinen Molekülen zum Wachstum der Kompartimente führt, die das Netzwerk umschließen, sodass sie sich teilen können. Tibor Gánti hat bereits einen der vielversprechendsten Kandidaten für dieses System als die Formose-Reaktion identifiziert, eine autokatalytische Zucker produzierende Reaktion, die Formaldehyd verbraucht und die zirkuläre Umwandlung und Ausbreitung von Glykolaldehydmolekülen beinhaltet. Für die Reaktion sind keine Enzyme erforderlich.

Die Studie wurde im Biochemielabor der École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI) in Paris von Professor Andrew Griffiths und seinen Kollegen durchgeführt. Bei dem Experiment wurden winzige Wassertröpfchen in einem Ölmedium erzeugt, die nicht verschmolzen und daher als künstliche Zellen fungierten. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturchemie.

Einige der „Zellen“ erhielten Glykolaldehyd als Autokatalysator (zusätzlich zu Formaldehyd als Nährstoff), andere nicht. In der ersten Gruppe wurde die Formose-Reaktion ausgelöst und durch Osmose wurde Wasser aus Kompartimenten abgesaugt, die kein Glykolaldehyd enthielten. Dadurch konnten sie wachsen und sich unter äußerem Einfluss teilen. Viele Forscher haben vermutet, dass sich die ersten Zellen vor dem Aufkommen der regulierten Zellteilung als Reaktion auf äußere Einflüsse wie turbulente Strömungen teilten.

Die Bedeutung dieser Studie besteht darin, dass wir weltweit die ersten sind, die zeigen, dass die Funktionsweise eines Netzwerks autokatalytischer Reaktionen kleiner Moleküle ohne genetisches Material und Enzyme zum Wachstum und zur Teilung von Kompartimenten, also zur Bildung neuer Kompartimente, führt Generationen.

Dies wurde noch nie zuvor nachgewiesen, daher ist das Ergebnis von grundlegender Bedeutung für die experimentelle Überprüfung der Prinzipien der Systemchemie und weist den Weg für die Erforschung der Entstehung des Lebens.