Katalytische Moleküle können metabolisch aktive Cluster bilden, indem sie Konzentrationsgradienten erzeugen und ihnen folgen – das ist das Ergebnis einer neuen Studie von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS). Ihr Modell sagt die Selbstorganisation von Molekülen voraus, die an Stoffwechselwegen beteiligt sind, und fügt der Theorie der Entstehung des Lebens einen möglichen neuen Mechanismus hinzu.
Die Ergebnisse können dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Moleküle, die an komplexen biologischen Netzwerken beteiligt sind, dynamische Funktionsstrukturen bilden können, und eine Plattform für Experimente zur Entstehung des Lebens bieten.
Ein mögliches Szenario für die Entstehung des Lebens ist die spontane Organisation interagierender Moleküle zu zellähnlichen Tröpfchen. Diese molekularen Spezies würden die ersten sich selbst replizierenden Stoffwechselzyklen bilden, die in der Biologie allgegenwärtig und allen Organismen gemeinsam sind. Nach diesem Paradigma müssten sich die ersten Biomoleküle durch langsame und insgesamt ineffiziente Prozesse zusammenballen.
Eine solch langsame Clusterbildung scheint mit der Geschwindigkeit, mit der Leben entstanden ist, unvereinbar zu sein. Wissenschaftler der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS haben nun ein alternatives Modell vorgeschlagen, das eine solche Clusterbildung und damit den schnellen Beginn der chemischen Reaktionen erklärt, die zur Entstehung von Leben erforderlich sind.
„Dazu haben wir verschiedene Moleküle in einem einfachen Stoffwechselzyklus betrachtet, in dem jede Art eine Chemikalie produziert, die von der nächsten verwendet wird“, sagt Vincent Ouazan-Reboul, der Erstautor der Studie. „Die einzigen Elemente im Modell sind die katalytische Aktivität der Moleküle, ihre Fähigkeit, Konzentrationsgradienten der von ihnen produzierten und verbrauchten Chemikalien zu folgen, sowie die Informationen über die Reihenfolge der Moleküle im Zyklus“, fährt er fort.
Folglich zeigte das Modell die Bildung katalytischer Cluster einschließlich verschiedener molekularer Spezies. Darüber hinaus erfolgt das Wachstum von Clustern exponentiell schnell. Moleküle können sich daher sehr schnell und in großer Zahl zu dynamischen Strukturen zusammenlagern.
„Darüber hinaus spielt die Anzahl der am Stoffwechselzyklus beteiligten Molekülarten eine Schlüsselrolle für die Struktur der gebildeten Cluster“, fasst Ramin Golestanian, Direktor am MPI-DS, zusammen: „Unser Modell führt zu einer Vielzahl komplexer Szenarien für.“ Selbstorganisation und macht spezifische Vorhersagen über funktionelle Vorteile, die sich für eine ungerade oder gerade Anzahl teilnehmender Arten ergeben. Es ist bemerkenswert, dass nicht-reziproke Interaktionen, wie sie für unser neu vorgeschlagenes Szenario erforderlich sind, generisch in allen Stoffwechselzyklen vorhanden sind.“
In einer anderen Studie fanden die Autoren heraus, dass für die Clusterbildung in einem kleinen Stoffwechselnetzwerk keine Selbstanziehung erforderlich ist. Stattdessen können Netzwerkeffekte dazu führen, dass selbst sich selbst abstoßende Katalysatoren aggregieren. Damit demonstrieren die Forscher neue Bedingungen, unter denen durch komplexe Interaktionen selbstorganisierte Strukturen entstehen können.
Insgesamt erweitern die neuen Erkenntnisse beider Studien die Theorie, wie komplexes Leben einst aus einfachen Molekülen entstand, um einen weiteren Mechanismus und decken allgemeiner auf, wie Katalysatoren, die an Stoffwechselnetzwerken beteiligt sind, Strukturen bilden können.
Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Vincent Ouazan-Reboul et al., Selbstorganisation primitiver Stoffwechselzyklen aufgrund nichtreziproker Interaktionen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40241-w