Wie die ersten Biomoleküle entstanden sein könnten

Die chemischen Vorläufer heutiger Biomoleküle könnten nicht nur in der Tiefsee an Hydrothermalquellen, sondern auch in warmen Tümpeln an der Erdoberfläche entstanden sein. Welche chemischen Reaktionen in dieser „Ursuppe“ möglicherweise stattgefunden haben, hat nun ein internationales Team unter Leitung von Forschern der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Experimenten reproduziert. Sie fanden sogar heraus, dass eine der Nukleobasen, die den Code unseres Erbguts darstellen, von der Oberfläche unseres Planeten stammen könnte.

Die Erde ist rund 4,6 Milliarden Jahre alt und war nicht immer ein lebensfreundlicher Ort. In den ersten hundert Millionen Jahren bestand die Atmosphäre unseres Planeten hauptsächlich aus Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, Schwefelwasserstoff und Blausäure, auch Blausäure genannt. Freier Sauerstoff existierte nicht. Unter diesen Bedingungen ist Eisensulfid, das sich unter Sauerstoffeinwirkung in Eisenoxid umwandelt, stabil. An der Oberfläche von Eisensulfid können jedoch biologisch wichtige Reaktionen stattfinden, ähnlich denen, die in bestimmten eisen- und schwefelbasierten Enzymen wie Nitrogenasen und Hydrogenasen ablaufen.

Eine zufällige Wiederentdeckung machte es möglich

„Wir haben uns gefragt: Was passiert, wenn Eisensulfid in dieser Uratmosphäre mit Blausäure in Kontakt kommt?“ erklärt Prof. Wolfgang Weigand vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena.

„Hilfreich war für uns, dass wir in erfolgreicher Zusammenarbeit mit meinem Kollegen Prof. Christian Robl zufällig eine besonders reaktive Form von Eisensulfid entdeckt hatten. Diese Form wurde in der Geschichte bereits zweimal entdeckt und jedes Mal wieder vergessen: einmal um 1700 und noch einmal in den 1920er Jahren. Die beiden damaligen Doktoranden Robert Bolney und Mario Grosch haben es sozusagen zum dritten Mal entdeckt“, fügt er hinzu.

Die beiden Chemiker beobachteten im Labor, dass beim Anrühren von Eisenpulver mit Schwefel in Wasser und leichtem Erhitzen nach einiger Zeit in einer explosionsartigen Reaktion Eisensulfid als Mackinawit entsteht. Dieses Mineral diente als Katalysator im „Ursuppen“-Experiment.

Möglicherweise ist auf diese Weise ein Buchstabe des genetischen Codes entstanden

„Wir haben dem Eisensulfid unter Stickstoffatmosphäre Kaliumcyanid, Phosphorsäure und Wasser zugesetzt und die Mischung auf 80 Grad Celsius erhitzt. Die Phosphorsäure wandelt das Kaliumcyanid in Blausäure um. Anschließend haben wir Gasproben aus der Atmosphäre der jeweiligen Gefäße entnommen und analysiert“, erklärt Weigand. Die Forscher fanden Substanzen, die als chemische Vorstufen für die heutigen Biomoleküle gedient haben könnten.

Im Tagebuch ChemSystemsChembestätigt das Team unter anderem die Entdeckung von Thiolen, die als Lipide in Zellmembranen vorkommen, sowie von Acetaldehyd, das als Vorstufe für DNA-Bausteine ​​(sogenannte Nukleoside) benötigt wird. „Besonders spannend war, dass wir unter diesen milden Bedingungen sogar Adenin nachweisen konnten, eine Nukleobase, die einer der fünf Buchstaben des genetischen Codes ist“, sagt Weigand.

Mittels Isotopenmarkierung konnte das Team nachweisen, dass das Cyanid tatsächlich den Kohlenstoff für die gefundenen Moleküle lieferte. Weigand erklärt: „In diesem Experiment enthielt das Kaliumcyanid nicht das Isotop Kohlenstoff-12, das das Isotop ist, das 98,9 % des natürlich in der Umwelt vorkommenden Kohlenstoffs ausmacht. Stattdessen war es das schwerere – und auch stabile – Isotop Kohlenstoff -13. Dieses Isotop haben wir in den Reaktionsprodukten gefunden. Auf diese Weise konnten wir zweifelsfrei nachweisen, dass die Kohlenstoffatome in den gefundenen Molekülen wirklich aus dem isotopenmarkierten Kaliumcyanid stammen.“

Jahrzehntelange Fantasie und Geduld

Besonders dankbar ist Weigand für die Zusammenarbeit des gesamten internationalen Teams: „Für solche Arbeiten braucht man wirklich Fantasie und Geduld“, sagt er. „Und das haben Robert Bolney und Mario Grosch bewiesen. Auch die Zusammenarbeit mit unseren Kollegen an der University of California, Irvine und an der LMU München war vorbildlich.“

Wie wichtig Vorstellungskraft und vor allem Geduld in der Wissenschaft sind, zeigt Wolfgang Weigand selbst. Denn 2003 erhielt er zusammen mit Prof. Günter Kreisel von der Universität Jena und Dr. Willi Brand vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena den Thüringer Forschungspreis für seine Arbeit „Eine mögliche präbiotische Bildung von Ammoniak aus molekularem Stickstoff an Eisensulfid“. Oberflächen.“

Nun – fast 20 Jahre später – konnte Weigand zudem zeigen, dass sich unter diesen Bedingungen aus Cyanid an der Erdoberfläche die ersten Kohlenstoffverbindungen gebildet haben könnten, aus denen später Leben erwuchs.

Zur Verfügung gestellt von der Friedrich-Schiller-Universität Jena