Der Trocknungsprozess könnte ein Schlüsselschritt in der Entwicklung des Lebens sein

Vor einhundertfünfzig Jahren spekulierte Charles Darwin, dass das Leben wahrscheinlich in einem warmen kleinen Teich entstand. Dort, so vermutete Darwin, könnten chemische Reaktionen und der ein oder andere Blitzschlag zu Ketten von Aminosäuren geführt haben, die im Laufe der Zeit immer komplexer wurden, bis die Anfänge des Lebens entstanden.

Seitdem haben Forscher diese Art von vorlebender oder „präbiotischer“ Chemie untersucht und versucht, die chemischen Wege herauszufinden, die von einem mit einfachen Aminosäuren gefüllten Pool zu Bakterien, Mammutbäumen und Menschen geführt haben könnten. Nach einer Reihe von Experimenten, University of Wisconsin-Madison Chemical Engineering Ph.D. Die Studentin Hayley Boigenzahn und John Yin, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen und Gründungsmitglied des Wisconsin Institute for Discovery, können erklären, wie einer der möglicherweise entscheidenden frühen Schritte auf dem Weg des Lebens hätte passieren können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Ursprünge des Lebens und Evolution der Biosphären.

In einer berühmten Studie aus dem Jahr 1952 namens Miller-Urey-Experiment simulierten Forscher die Bedingungen, von denen angenommen wird, dass sie auf der präbiotischen Erde vorhanden sind, einschließlich bestimmter Verhältnisse von Wasser, Methan, Wasserstoff und anderen Elementen. Als sie mit Elektrizität gezapft wurden, um einen Blitz zu simulieren, stellten die Forscher fest, dass die Reaktion Aminosäuren produzierte, was darauf hindeutet, dass diese Moleküle auf der präbiotischen Erde weit verbreitet waren.

„Wir wissen, dass Aminosäuren die Bausteine ​​von Proteinen sind und Proteine ​​lebensnotwendig sind“, sagt Yin. „In der präbiotischen Chemie war es lange Zeit eine Frage, wie wir diese Dinge dazu bringen könnten, Bindungen und Fäden auf eine Weise zu bilden, die schließlich zu einer lebenden Zelle führen könnte. Die Frage ist schwierig, weil die spezielle Chemie, die beteiligt ist, dazu neigt, zu versagen in Gegenwart von Wasser.“

In ihrem Experiment untersuchte Boigenzahn, ob es möglich ist, dass diese Aminosäuren in Zeiten von Umweltveränderungen zusammengekommen sind – zum Beispiel als ein Wasserbecken verdunstete. In Gegenwart eines chemischen Aktivators könnten sich diese Aminosäuren zu Peptiden oder kurzen Aminosäureketten verbinden.

Um zu untersuchen, wie Aminosäuren während des Trocknungsprozesses Bindungen eingehen können, stellte Boigenzahn Lösungen der Aminosäure Glycin und Trimetaphosphat her, einem Aktivator, der natürlicherweise bei vulkanischen Prozessen entsteht. Mit einem Heizgerät zum Verdampfen der Lösung beobachtete Boigenzahn 24 Stunden lang, was mit den Aminosäuren geschah.

Was sie fand, war ein zweistufiger Prozess. In der ersten Stufe, als der pH-Wert der Lösung alkalisch war, verband sich das Glycin zu Zwei-Molekül-Einheiten, den sogenannten Dimeren, die ebenfalls Protonen produzieren, wodurch der pH-Wert der Lösung neutral wurde. In der zweiten Stufe, als die Verdunstung stattfand, begannen sich die Dimere zu verbinden, um längere Peptidketten zu bilden, die als Oligoglycine bezeichnet werden.

Man kann sich leicht ein Szenario vorstellen, in dem sich Aminosäuren in einer vulkanisch erwärmten heißen Quelle, die einen Aktivator enthält, zunächst zu Dimeren verbinden. Dann, wenn das Wasser verdunstet und seine Chemie sich ändert, verbinden sich die Dimere und beginnen, sich zu längeren Ketten von Aminosäuren zu formen.

„Was wir hier zeigen, ist, dass es nicht bei allen Reaktionen immer dieselbe Umgebung sein muss“, sagt Boigenzahn. „Sie können in verschiedenen Umgebungen auftreten, vorausgesetzt, dass die auftretenden Reaktionen dazu beitragen, eine Umgebung zu schaffen, die für die nächsten Schritte vorteilhaft ist.“

Durch mehrere Nass-Trocken-Zyklen ist es möglich, dass die Peptidketten immer länger wurden. Schließlich könnten sie begonnen haben, sich in sich selbst zu falten und Enzyme oder Proteine ​​zu bilden, die chemische Reaktionen katalysieren. Das könnte die Voraussetzungen für komplexere Proteine ​​und die Anfänge des Stoffwechsels schaffen.

Boigenzahn und Yin sagen beide, dass es noch lange dauern wird, bis die Forscher einen möglichen Weg von Darwins warmem kleinen Teich zu den Anfängen des Lebens finden. Aber besonders für Chemieingenieure könnte sich der Aufwand für das Studium der präbiotischen Chemie auszahlen.

„Wenn Sie diese Chemie wirklich verstehen, die sich von der traditionellen Biologie unterscheidet, können Sie möglicherweise chemische Systeme erschaffen, die in der Lage sind, Informationen zu speichern, sich anzupassen und weiterzuentwickeln“, sagt Yin. „DNA speichert Informationen mit einer tausendmal höheren Dichte als ein Computerchip. Wenn wir Systeme bekommen könnten, die dies tun, ohne unbedingt lebende Zellen zu sein, dann fängt man an, über alle möglichen neuen Funktionen und Prozesse nachzudenken, die auf molekularer Ebene ablaufen.“