Wissenschaftler finden plausible geologische Umstände, die möglicherweise das Leben auf der Erde ausgelöst haben

Forscher haben ein plausibles evolutionäres Umfeld entdeckt, in dem Nukleinsäuren – die grundlegenden genetischen Bausteine ​​des Lebens – ihre eigene Replikation ermöglichen könnten, was möglicherweise zur Entstehung von Leben auf der Erde führen könnte.

Die Studie, veröffentlicht heute als Reviewed Preprint in eLifewurde von den Herausgebern als wichtige Arbeit mit überzeugenden Beweisen beschrieben, die zeigen, wie eine einfache geophysikalische Einstellung des Gasflusses über einen schmalen Wasserkanal eine physikalische Umgebung schaffen kann, die zur Replikation von Nukleinsäuren führt. Die Arbeit wird für Wissenschaftler von Interesse sein, die sich mit der Entstehung des Lebens und im weiteren Sinne mit Nukleinsäuren und diagnostischen Anwendungen befassen.

Die Entstehung des Lebens auf der Erde ist immer noch ein ungelöstes Rätsel, doch eine gängige Theorie besagt, dass die Replikation des genetischen Materials – der Nukleinsäuren DNA und RNA – ein zentraler und entscheidender Prozess war. RNA-Moleküle können genetische Informationen speichern und ihre eigene Replikation durch die Bildung doppelsträngiger Helices katalysieren. Die Kombination dieser Fähigkeiten ermöglicht es ihnen, zu mutieren, sich weiterzuentwickeln und sich an verschiedene Umgebungen anzupassen und letztendlich die Proteinbausteine ​​des Lebens zu kodieren.

Damit dies geschieht, müssen sich die RNA-Stränge nicht nur in eine doppelsträngige Form replizieren, sondern sich auch wieder trennen, um den Replikationszyklus abzuschließen. Bei den für die Replikation erforderlichen hohen Salz- und Nukleinsäurekonzentrationen ist die Strangtrennung jedoch eine schwierige Aufgabe.

„Verschiedene Mechanismen wurden auf ihr Potenzial untersucht, DNA-Stränge am Ursprung des Lebens zu trennen, aber sie alle erfordern Temperaturänderungen, die zum Abbau von Nukleinsäuren führen würden“, sagt Hauptautor Philipp Schwintek, ein Ph.D. Student der Systembiophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland.

„Wir haben ein einfaches und allgegenwärtiges geologisches Szenario untersucht, bei dem die Wasserbewegung durch eine Gesteinspore durch ein Gas, das durch das Gestein sickert, getrocknet wird, um die Oberfläche zu erreichen. Eine solche Situation wäre auf Vulkaninseln auf der frühen Erde sehr häufig anzutreffen, da sie die notwendigen trockenen Bedingungen boten.“ RNA-Synthese.“

Das Team erstellte ein Labormodell der Gesteinspore, das einen nach oben gerichteten Wasserfluss zeigt, der an einer Kreuzung mit einem senkrechten Gasfluss verdampft, was zu einer Ansammlung gelöster Gasmoleküle an der Oberfläche führt. Gleichzeitig induziert der Gasfluss kreisförmige Strömungen im Wasser, die die Moleküle zurück in die Masse drängen. Um zu verstehen, wie sich dieses Modell auf Nukleinsäuren in der Umwelt auswirken würde, überwachten sie mithilfe von Perlen die Dynamik des Wasserflusses und verfolgten dann die Bewegung fluoreszierend markierter kurzer DNA-Fragmente.

„Unsere Erwartung war, dass die kontinuierliche Verdunstung zu einer Ansammlung von DNA-Strängen an der Grenzfläche führen würde“, sagt Schwintek. „Tatsächlich stellten wir fest, dass Wasser an der Grenzfläche kontinuierlich verdunstete, die Nukleinsäuren in der wässrigen Fläche sich jedoch in der Nähe der Gas/Wasser-Grenzfläche ansammelten.“ Innerhalb von fünf Minuten nach Beginn des Experiments kam es zu einer dreifachen Ansammlung von DNA-Strängen, während sich nach einer Stunde 30-mal mehr DNA-Stränge an der Grenzfläche ansammelten.

Obwohl dies darauf hindeutet, dass die Gas/Wasser-Grenzfläche eine ausreichende Konzentration an Nukleinsäuren für die Replikation ermöglicht, ist auch eine Trennung der DNA-Doppelstränge erforderlich. Normalerweise ist eine Temperaturänderung erforderlich, bei konstanter Temperatur sind jedoch Änderungen der Salzkonzentration erforderlich.

„Wir stellten die Hypothese auf, dass der kreisförmige Flüssigkeitsstrom an der Grenzfläche, der durch den Gasfluss entsteht, zusammen mit der passiven Diffusion die Strangtrennung vorantreiben würde, indem er die Nukleinsäuren durch Bereiche mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen drückt“, erklärt leitender Autor Dieter Braun, Professor für Systembiophysik an der Ludwig-Universität -Maximilians-Universität München.

Um dies zu testen, verwendeten sie eine Methode namens FRET-Spektroskopie, um die DNA-Strangtrennung zu messen – ein hohes FRET-Signal zeigt an, dass DNA-Stränge noch gebunden sind, während ein niedriger FRET anzeigt, dass die Stränge getrennt sind. Wie erwartet nahm das FRET-Signal zunächst in der Nähe der Gas-Wasser-Grenzfläche zu, was auf die Bildung doppelsträngiger DNA hinweist. Doch im Verlauf des Experiments, bei dem Wasser nach oben floss, war das FRET-Signal niedrig – ein Hinweis auf einzelsträngige DNA.

Als das Team diese Daten außerdem mit seiner Simulation des Wasserflusses und der Salzkonzentrationen überlagerte, stellten sie fest, dass der Wirbel an der Gas-Wasser-Grenzfläche Änderungen der Salzkonzentrationen um das bis zu Dreifache verursachte, was möglicherweise zu einer Strangtrennung führen kann.

Obwohl sich Nukleinsäuren und Salze in der Nähe der Gas-Wasser-Grenzfläche ansammelten, blieben die Konzentrationen von Salzen und Nukleinsäuren im Großteil des Wassers verschwindend niedrig. Dies veranlasste das Team zu testen, ob in dieser Umgebung tatsächlich eine Nukleinsäurereplikation stattfinden könnte, indem es Nukleinsäuren, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff und einem Enzym markiert waren, das doppelsträngige DNA synthetisieren kann, in das Labormodell der Gesteinspore einfügte. Im Gegensatz zu normalen DNA-Synthesereaktionen im Labor wurde die Temperatur auf einer konstanten Temperatur gehalten und die Reaktion stattdessen dem kombinierten Wasser- und Gaseinstrom ausgesetzt.

Nach zwei Stunden hatte das Fluoreszenzsignal zugenommen, was auf eine erhöhte Anzahl replizierter doppelsträngiger DNA-Moleküle hinweist. Als jedoch der Gas- und Wasserzufluss abgeschaltet wurde, wurde kein Anstieg der Fluoreszenzsignale und daher auch kein Anstieg der doppelsträngigen DNA beobachtet.

„In dieser Arbeit haben wir eine plausible und reichlich vorhandene geologische Umgebung untersucht, die die Vermehrung frühen Lebens auslösen könnte“, schließt Braun. „Wir betrachteten eine Situation, in der Gas über eine offene, mit Wasser gefüllte Gesteinspore strömt, ohne dass sich die Temperatur ändert, und stellten fest, dass der kombinierte Gas- und Wasserfluss Salzschwankungen auslösen kann, die die DNA-Replikation unterstützen.“

„Da es sich um eine sehr einfache Geometrie handelt, erweitern unsere Erkenntnisse das Repertoire potenzieller Umgebungen, die eine Replikation auf frühen Planeten ermöglichen könnten, erheblich.“