Skalierungsgesetze in Enzymen können helfen, das Leben vorherzusagen, „wie wir es nicht kennen“

Die einzigen Referenzen, die wir für „Leben“ haben, sind die Formen, die wir auf der Erde kennen. Astrobiologen vermuten, dass die Suche nach außerirdischem Leben und sogar nach den Ursprüngen des Lebens auf der Erde einen größeren Umfang erfordern könnte. Ein von der NASA finanziertes Forscherteam entwickelt Werkzeuge, um die Merkmale des Lebens vorherzusagen, wie wir es nicht kennen. In einer neuen Studie, die in der Proceedings of the National Academy of Sciencesidentifiziert das Team universelle Muster in der Chemie des Lebens, die nicht von bestimmten Molekülen abzuhängen scheinen.

„Wir wollen neue Werkzeuge haben, um Merkmale des Lebens zu identifizieren und sogar vorherzusagen, da wir es nicht kennen“, sagt Sara Imari Walker, externe Professorin des Santa Fe Institute (Arizona State University), eine Co-Autorin des Papiers. „Um dies zu tun, zielen wir darauf ab, die universellen Gesetze zu identifizieren, die für jedes biochemische System gelten sollten. Dazu gehört die Entwicklung einer quantitativen Theorie für die Ursprünge des Lebens und die Verwendung von Theorie und Statistik, um unsere Suche nach Leben auf anderen Planeten zu leiten.“

Auf der Erde entsteht Leben aus dem Zusammenspiel hunderter chemischer Verbindungen und Reaktionen. Einige dieser Verbindungen und Reaktionen sind universell in allen Organismen der Erde zu finden. Unter Verwendung der Datenbank „Integrated Microbial Genomes and Microbiomes“ untersuchte das Team die Enzyme – die funktionellen Treiber der Biochemie – in Bakterien, Archaeen und Eukarya, um eine neue Art biochemischer Universalität aufzudecken.

Enzyme können in eine Taxonomie breiter funktioneller Klassen eingeteilt werden – Gruppen, die nach ihrer Funktion bestimmt werden, von der Verwendung von Wassermolekülen zum Aufbrechen chemischer Bindungen (Hydrolasen) über die Neuanordnung von Molekülstrukturen (Isomerasen) bis hin zum Zusammenfügen großer Moleküle (Ligasen). Das Team verglich, wie sich die Menge an Enzymen in jeder dieser funktionellen Kategorien im Verhältnis zur Gesamtmenge an Enzymen in einem Organismus veränderte. Sie entdeckten verschiedene Skalierungsgesetze – fast algorithmische Beziehungen – zwischen der Anzahl von Enzymen in verschiedenen Enzymklassen und der Größe des Genoms eines Organismus. Sie fanden auch heraus, dass diese Gesetze nicht von den jeweiligen Enzymen in diesen Klassen abhängen.

„Hier stellen wir fest, dass Sie diese Skalierungsbeziehungen erhalten, ohne die exakte Zugehörigkeit beibehalten zu müssen. Sie benötigen eine bestimmte Anzahl von Transferasen, aber keine bestimmten Transferasen“, sagt SFI-Professor Chris Kempes, Mitautor des Papiers. „Es gibt eine Menge [of] ‚Synonyme‘, und diese Synonyme skalieren systematisch.“

Auf der Erde verwenden Organismen DNA und erzeugen durch RNA Proteine. Aber werden uns die Makromoleküle aus DNA, RNA und Proteinen helfen, Leben im ganzen Universum zu identifizieren, die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu verstehen oder synthetische Biologie zu entwickeln?

„Als Team halten wir das für unwahrscheinlich“, sagt Kempes. Die Funktionen, denen diese Makromoleküle dienen, und die metabolischen Skalierungsbeziehungen, die im organischen, erdbasierten Leben beobachtet werden, könnten jedoch nur sein. „Selbst wenn das Leben anderswo wirklich andere Moleküle verwendet, könnten diese Art von funktionellen Kategorien und Skalierungsgesetzen im gesamten Universum konserviert sein“, bemerkt Kempes.

Weitere Autoren dieser Studie sind Erstautor Dylan Gagler (New York University Langone Health); Hyunju Kim, Bradley Karas, John Malloy und Veronica Mierzejewski (Arizona State University); und Aaron Goldman (Oberlin College und das Blue Marble Space Institute for Science).