Montag, 3. Februar 2014

Forscher rekonstruieren 3,5 Milliarden Jahre altes Enzym des letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens


Rekonstruktion des LUCA-HisF-Enzyms. | Copyright: Rainer Merkl, uni-regensburg.de

Regensburg (Deutschland) - Mit bioinformatischen Methoden ist es deutschen und französischen Wissenschaftlern gelungen, eine Proteinsequenz zu rekonstruieren, wie sie vor 3.5 Milliarden Jahren existierte und geben damit Einblicke in den Stoffwechsel des letzten gemeinsamen Vorfahren allen heutigen Lebens.

Wie die Forscher um Prof. Dr. Rainer Merkl und Prof. Dr. Reinhard Sterner vom Institut für Biophysik und Physikalische Biochemie an der Universität Regensburg gemeinsam mit Kollegen des französischen Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique aktuell in der Fachzeitschrift "Journal of the American Chemical Society" (DOI: 10.1021/ja4115677) berichten, hat sich das Leben auf unserem Planeten über Milliarden von Jahren entwickelt. Allerdings haben sich dabei die elementaren Bausteine des Lebens - Enzyme und Proteine - nur unwesentlich verändert.

Neben der Rekonstruktion des Enzyms am Computer gelang den Forschern nun nicht nur ein 3,5 Milliarden Jahre altes Enzym am Computer zu rekonstruieren, sondern sogar auch, dieses Enzym im Labor herzustellen und es so genauer zu untersuchen.


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"Moderne Enzymkomplexe sind hochspezialisierte und effiziente molekulare Maschinen, die eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Organismen übernehmen", erläutert die Pressemitteilung der Universität. "Hier steuern sie die wichtigsten biochemischen Reaktionen - von der Synthese und dem Abbau der Zellbestandteile bis hin zum Auslesen und der Weitergabe der Erbinformation. Wie effizient Enzyme aus den frühen Phasen der Evolution auf unserem Planeten waren, lässt sich aber nur schwierig beantworten. Das 'enzymatische Repertoire' von ausgestorbenen Arten ist kaum bekannt, weil es keine makromolekularen Fossilien gibt."

Das Forscherteam wollte herausfinden, welche Eigenschaften die Enzyme solcher Spezies besaßen, die die Erde zu einer sehr frühen Phase der biologischen Evolution besiedelten. Dafür sind die Forscher mit bioinformatischen Methoden weit in der Zeit zurückgereist. Vor etwa 3.5 Milliarden Jahren existierte der letzte gemeinsame Vorfahre aller Arten, der LUCA genannt wird. "Dieser Einzeller war ähnlich wie moderne Organismen in der Lage, mithilfe des Enzyms HisF die Aminosäure Histidin herzustellen."


Die Experimente am rekonstruierten Ur-Enzym führten zu erstaunlichen Ergebnissen: "So zeigte sich, dass die Eigenschaften von LUCA-HisF im Wesentlichen mit denen des heutigen HisF-Enzyms übereinstimmen. Sowohl die Struktur als auch die Enzymaktivität und seine Rolle in einem Enzymkomplex unterscheiden sich nur unwesentlich."


Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass die Evolution von hochspezialisierten Enzymen und Enzymkomplexen bereits vor 3,5 Milliarden Jahren - in der LUCA-Ära - weitestgehend abgeschlossen war. Ihre Überlegungen haben Konsequenzen für unser allgemeines Verständnis der biologischen Evolution. Während sich die elementaren Bausteine des Lebens über Jahrmilliarden nur wenig veränderten, haben sich in späteren Phasen der Evolution komplexe Proteininteraktionsnetzwerke entwickelt, die zum Entstehen der höheren Arten führten.


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