Wissenschaftler skizzieren eine neue Strategie zum Verständnis des Ursprungs des Lebens

Wie sahen die ersten Lebensformen aus? In einem neuen Perspektivartikel beschreiben Wissenschaftler eine Strategie zur Beantwortung dieser Frage, indem sie die früheste Entwicklung von Elektronentransportketten untersuchen, eine universelle Stoffwechselstrategie mit einer sehr alten Geschichte. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Trotz jahrzehntelanger Fortschritte bleibt die Entstehung des Lebens eines der großen ungelösten Probleme der Wissenschaft. „Die grundlegendsten Merkmale der Biologie, dass Organismen aus Zellen bestehen, dass sie genetische Informationen über die DNA weitergeben, dass sie Proteinenzyme verwenden, um ihren Stoffwechsel zu betreiben, sind alle durch spezifische Prozesse in der sehr frühen Evolutionsgeschichte entstanden“, sagt Aaron Goldman, Associate Professor für Biologie am Oberlin College.

„Wenn wir verstehen, wie diese grundlegendsten biologischen Systeme entstanden, erhalten wir nicht nur einen besseren Einblick in die Funktionsweise des Lebens auf der grundlegendsten Ebene, sondern auch darüber, was Leben überhaupt ist und wie wir jenseits der Erde danach suchen könnten.“

Die Frage, wie das Leben entstand, wird typischerweise durch Laborexperimente untersucht, die frühe Umgebungen auf der Erde simulieren und nach Chemikalien suchen, die die gleichen Arten von Biomolekülen und Stoffwechselreaktionen erzeugen können, die wir heute in Organismen sehen. Dies wird als „Bottom-up“-Ansatz bezeichnet, da er mit Materialien arbeitet, die auf der präbiotischen Erde vorhanden gewesen wären. Während diese sogenannten „präbiotischen Chemie“-Experimente erfolgreich gezeigt haben, wie das Leben „entstanden“ sein könnte, können sie uns nicht sagen, wie das Leben tatsächlich „entstanden“ ist.

Unterdessen nutzen andere Forschungen Techniken aus der Evolutionsbiologie, um anhand von Daten aus dem heutigen Leben zu rekonstruieren, wie frühe Lebensformen ausgesehen haben könnten. Dies ist als „Top-Down“-Ansatz bekannt und kann uns etwas über die Geschichte des Lebens auf der Erde erzählen.

Allerdings kann die Top-Down-Forschung nur bis zu den Genen zurückblicken, die auch heute noch in Organismen konserviert sind, und damit nicht bis zum Ursprung des Lebens. Trotz ihrer Einschränkungen zielen Top-Down- und Bottom-Up-Forschung auf das gemeinsame Ziel ab, die Ursprünge des Lebens zu entdecken, und im Idealfall sollten ihre Antworten auf eine Reihe gemeinsamer Bedingungen konvergieren.

Ein neuer Artikel von Goldman, Laurie Barge (Forschungswissenschaftlerin für Astrobiologie am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA) und Kollegen versucht, diese methodische Lücke zu schließen. Die Autoren argumentieren, dass die Kombination von Bottom-Up-Laborforschung zu plausiblen Wegen zur Entstehung des Lebens mit Top-Down-Evolutionsrekonstruktionen früher Lebensformen genutzt werden kann, um herauszufinden, wie das Leben tatsächlich auf der frühen Erde entstanden ist.

In ihrem Artikel „Elektronentransportketten als Fenster in die frühesten Phasen der Evolution“ beschreiben die Autoren ein Phänomen, das für das heutige Leben von zentraler Bedeutung ist und durch die Kombination von Bottom-up- und Top-down-Forschung untersucht werden könnte: Elektronentransportketten.

Elektronentransportketten sind eine Art Stoffwechselsystem, das von Organismen im gesamten Lebensbaum, von Bakterien bis hin zu Menschen, genutzt wird, um nutzbare Formen chemischer Energie zu erzeugen. Die vielen verschiedenen Arten von Elektronentransportketten sind auf jede Lebensform und den von ihnen genutzten Energiestoffwechsel spezialisiert: Beispielsweise enthalten unsere Mitochondrien eine Elektronentransportkette, die mit unserem heterotrophen (nahrungsmittelverbrauchenden) Energiestoffwechsel verbunden ist; wohingegen Pflanzen eine völlig andere Elektronentransportkette haben, die mit der Photosynthese (der Energieerzeugung aus Sonnenlicht) verbunden ist.

In der mikrobiellen Welt nutzen Organismen ein breites Spektrum an Elektronentransportketten, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Energiestoffwechsel verbunden sind. Doch trotz dieser Unterschiede beschreiben die Autoren Hinweise aus der Top-Down-Forschung, dass diese Art von Stoffwechselstrategie von den allerersten Lebensformen genutzt wurde, und sie präsentieren mehrere Modelle für uralte Elektronentransportketten, die bis in die sehr frühe Evolutionsgeschichte zurückreichen könnten. Sie untersuchen auch aktuelle Bottom-up-Beweise, die darauf hindeuten, dass bereits vor der Entstehung des Lebens, wie wir es kennen, die Chemie der Elektronentransportkette durch Mineralien und frühes Meerwasser der Erde erleichtert worden sein könnte.

Inspiriert von diesen Beobachtungen skizzieren die Autoren zukünftige Forschungsstrategien, die Top-Down- und Bottom-Up-Forschung zur frühesten Geschichte von Elektronentransportketten synthetisieren, um ein besseres Verständnis des antiken Energiestoffwechsels und des Ursprungs des Lebens im weiteren Sinne zu erlangen.

Diese Forschung ist der Höhepunkt der fünfjährigen vorherigen Arbeit dieses interdisziplinären Teams aus mehreren Instituten unter der Leitung von Barge am JPL, das untersuchte, wie Stoffwechselreaktionen in geologischen Umgebungen auf der frühen Erde entstanden sein könnten.

Frühere Arbeiten des Teams haben beispielsweise konkrete Untersuchungen durchgeführt Kettenreaktionen des Elektronentransports angetrieben durch Mineralien (unter der Leitung von Jessica Weber, JPL Research Scientist); Wie alte Enzyme könnte haben bauten präbiotische Chemie in ihre aktiven Zentren ein (angeführt von Goldman); und mikrobieller Stoffwechsel in Umgebungen mit extrem begrenzter Energie (unter der Leitung von Doug LaRowe an der University of Southern California).

„Die Entstehung des Stoffwechsels ist eine interdisziplinäre Frage und deshalb brauchen wir ein interdisziplinäres Team, um dies zu untersuchen“, sagt Barge. „Unsere Arbeit hat Techniken aus Chemie, Geologie, Biologie und Computermodellierung genutzt, um diese Top-Down- und Bottom-Up-Ansätze zu kombinieren, und diese Art der Zusammenarbeit wird für zukünftige Studien zu präbiotischen Stoffwechselwegen wichtig sein.“