Chemiker stellen künstliches Protein her, das in die chemische Vergangenheit der Erde blickt

Wissenschaftler haben ein künstliches Protein entwickelt, das neue Einblicke in die chemische Evolution auf der frühen Erde bieten könnte.

Alle Zellen brauchen Energie zum Überleben, aber weil die Arten von Chemikalien, die in den Anfängen des Planeten verfügbar waren, im Vergleich zu der heutigen enormen Bandbreite an chemischer Vielfalt so begrenzt waren, hatten vielzellige Organismen viel weniger Energie, um die komplexen organischen Strukturen aufzubauen, die unsere Welt ausmachen heute wissen.

Neue Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciencesliefert Beweise dafür, dass viele der Organismen in der Ursuppe der Erde stark auf Metallmoleküle, insbesondere Nickel, angewiesen waren, um Energie zu speichern und zu verbrauchen.

Aktuelle Theorien darüber, wie mikrobielles Leben entstand, deuten darauf hin, dass Zellen zwar Kohlendioxid und Wasserstoff als Brennstoffquelle nutzten, aber auch Gebiete bewohnten, die reich an reduzierten Metallen wie Eisen und Nickel sind. Diese ersten chemischen Reaktionen wurden auch weitgehend von einem Enzym namens Acetyl-Coenzym-A-Synthase oder ACS angetrieben, einem Molekül, das für die Energieerzeugung und die Bildung neuer chemischer Bindungen unerlässlich ist.

Aber seit Jahren sind Wissenschaftler auf diesem Gebiet uneins darüber, wie dieses Enzym tatsächlich funktioniert – ob die chemischen Reaktionen, die es antreibt, zufällig zusammengesetzt werden können oder ob seine chemischen Konstruktionen einem strengen Plan folgen. Hannah Shafaat, Co-Autorin der Studie und Professorin für Chemie und Biochemie an der Ohio State University, sagte, das künstliche Modell des Enzyms ihres Teams verrate viel darüber, wie sich sein einheimischer Vorfahr in den ersten paar Milliarden Jahren der Erde verhalten haben könnte.

Im Vergleich zu dem, was Wissenschaftler in der Natur finden, ist dieses Modellprotein viel einfacher zu untersuchen und zu manipulieren. Aus diesem Grund konnte das Team schlussfolgern, dass ACS tatsächlich Moleküle Schritt für Schritt aufbauen muss. Solche Informationen sind entscheidend, um zu verstehen, wie die organische Chemie auf der Erde zu reifen begann.

„Anstatt das Enzym zu nehmen und es zu zerlegen, versuchen wir, es von unten nach oben aufzubauen“, sagte Shafaat. „Und zu wissen, dass man die Dinge in der richtigen Reihenfolge machen muss, kann im Grunde genommen ein Leitfaden dafür sein, wie man es im Labor nachstellt.“

Während die Wissenschaftler hoffen zu verstehen, was zuerst aus der Ursuppe hervorgegangen sein könnte, sagte Shafaat, die Studie habe gezeigt, dass selbst einfache Enzyme wie ihr Modell das frühe Leben hätten unterstützen können. Shafaat, der seit fast fünf Jahren an dem Projekt arbeitet, sagte, dass die Studie zwar auf einige Herausforderungen gestoßen sei, die Lektionen, die das Team gelernt habe, sich aber auf lange Sicht gelohnt hätten.

Ihre Ergebnisse seien nicht nur wichtig für das Verständnis der Urchemie, sondern hätten auch weitreichende Auswirkungen auf andere Bereiche, einschließlich des Energiesektors, sagte Shafaat. „Wenn wir verstehen können, wie die Natur vor Milliarden und Abermilliarden von Jahren herausgefunden hat, wie man diese Verbindungen verwendet, können wir einige dieser Ideen für unsere eigenen alternativen Energiegeräte nutzen“, sagte sie.

Eine der größten Herausforderungen für den Energiesektor ist derzeit die Herstellung von flüssigem Kraftstoff. Diese Studie könnte jedoch der erste Schritt sein, um eine natürliche Energiequelle zu finden, die den übermäßigen Verbrauch von Benzin und Öl durch den Menschen ersetzen könnte, sagte Shafaat. Jetzt arbeitet ihr Team daran, ihr Produkt zu rationalisieren, wird aber weiterhin untersuchen, ob es andere uralte Geheimnisse gibt, die ihr Enzym preisgeben könnte.

Co-Autoren waren Anastasia C. Manesis und Alina Yerbulekova vom Staat Ohio sowie Jason Shearer von der Trinity University.