Montag, 6. Mai 2013

Physiker werfen Blick auf die Entstehung des Lebens


Entstehung von RNA-Polymeren im Ur-Ozean (Illu.).
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München (Deutschland) - Im Ur-Ozean, so die derzeit gängigste Vorstellung, bildete sich nach der Entstehung der Erde aus einzelnen Molekülen nach und nach komplexe genetische Information. Münchner Physiker konnten nun zeigen, wie ein einfacher Temperaturgradient diesen Prozess in Gang gesetzt haben könnte.

Um aus einzelnen Atomen und kleinen Molekülen komplexe Strukturen entwickeln zu können, brauchte es zu Beginn aller Wahrscheinlichkeit nach die Ribonukleinsäure (RNA), erläutern die Physiker um Professor Dieter Braun und Professor Ulrich Gerland vom Exzellenzcluster „Nanosystems InitativeMunich" (NIM) an der Ludwig-Maximilian Universität in München aktuell im Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS). Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.


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"Noch ist aber unklar, wie die allerersten RNA-Polymere entstanden sind. Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt, die sich ohne Katalysatoren zusammengesetzt haben müssen", so die Forscher in einer Pressemitteilung. "Bisher konnten Wissenschaftler im Reagenzglas unter urzeitlichen Bedingungen aber nur Ketten von etwa 20 Nukleotiden bilden."


Die LMU-Physiker konnten nun aufzeigen, wie dieses Problem der zu kurzen Polymere gelöst worden sein könnte - und glauben, damit dem Geheimnis über den Ursprung des Lebens ein gutes Stück näher gekommen zu sein.


Zunächst entwickelten die Forscher ein theoretisches Modell, mit dem sie zeigen konnten, dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen. Dabei gingen sie von einem realistischen Urzeit-Szenario aus: "Eine mit Meerwasser gefüllte Gesteinspore liegt in der Nähe einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer heißen Tiefseequelle. Auf diese Weise ist die zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer als die andere. Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite durch einen Effekt, der Thermophorese genannt wird."


"Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophoresekombinieren sich zu einer thermalen Falle, die lange Polymere besser akkumuliert als kurze und somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt", erklärt Christof Mast, Erstautor der Studie. "Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich überexponenziell."


Dieses Modell konnten die Forscher dann auch durch Experimente belegen: Dabei stellten sie die Pore in Form einer feinen Glaskapillare nach und sorgten für einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Dem Meerwasser entsprach eine einfache Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten sie kurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können. DNA anstelle von RNA wurde verwendet, weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde. Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.


"Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen", fasst Professor Dieter Braun die Ergebnisse zusammen. "Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert."


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