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Eines der grossen Geheimnisse, das Wissenschaftler auf der ganzen Welt immer wieder beschaeftigt, ist die Frage, wie in grauer Vorzeit Leben auf der Erde entstand. Die weithin akzeptierte Annahme ist, dass dem Auftreten lebender Organismen eine Phase der chemischen Evolution vorausging, in der ein Selektionsprozess in unbelebten chemischen Gemischen stattfand. Dies soll schliesslich zu jenem entscheidenden Moment gefuehrt haben, in dem Molekuele entstanden, die sich selbst duplizieren konnten. Da die Reduplikation zu den grundlegendsten Eigenschaften aller Lebewesen gehoert, wird dieses Ereignis oft als Geburt des Lebens definiert.
Die Selbstvermehrung molekularer Systeme wird oft im Zusammenhang mit dem Informationsgehalt betrachtet. Viele Wissenschaftler sind der Auffassung, dass das Leben mit dem spontanen Auftreten von Biopolymeren - zum Beispiel Proteine oder Ribonukleinsaeuren (RNS ) - seinen Ausgang nahm, wo Information in einer Sequenz chemischer Einheiten gespeichert ist. Experimente, die die Bedingungen auf der Erde vor Milliarden Jahren simulieren, haben gezeigt, wie solche chemischen Einheiten, z. B. einige der Bausteine von Proteinen und RNS, spontan auftreten koennten. Dennoch blieb die Entstehung von Proteinen oder duplikationsfaehigen RNS-Molekuelen ein Geheimnis.
Das brachte Prof. Doron Lancet von der Abteilung Molekulargenetik am Weizmann Institut und seine Studenten Daniel Segre und Dafna Ben-Eli auf die Idee, nach Alternativen zu Proteinen und RNS zu suchen. Sie haben ein Modell entwickelt, das die Geschichte vom Beginn des Lebens anders erzaehlt. Lipidmolekuele spielen darin eine wichtige Rolle. Das Modell wird in einem Artikel beschrieben, der kuerzlich in der US-amerikanischen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science erschien.
Lipide sind oelige Substanzen, die wir als Hauptbestandteile der Zellmembran kennen. Lipide haben zwei verschiedene Aspekte, einen hydrophilen (Wasser anziehenden) und einen hydrophoben (Wasser abstossenden). Sie sind unter simulierten praebiologischen Bedingungen leicht zu synthetisieren und haben aufgrund ihrer zweifachen Natur die Tendenz, spontan supramolekulare Strukturen zu bilden, die aus Tausenden von molekularen Einheiten bestehen. Beispielhaft dafuer sind die Lipidverbunde, so genannte Mizellen, deren Wachstums- und Teilungsverhalten an eine Zellreplikation erinnert. Eine entscheidende Frage blieb jedoch bislang offen: wie koennen Lipidverbunde Information enthalten und weitergeben?
Das Modell, das Lancet und seine Kollegen vorschlagen, bietet hierfuer eine Loesung. Sie mutmassen, dass zunaechst lipidaehnliche Verbindungen in grosser Formvielfalt existierten. Sie wiesen mathematisch nach, dass unter solchen Bedingungen Lipidverbunde fast ebensoviel Information enthalten koennten wie ein RNS-Strang oder eine Proteinkette. Die Information wuerde jedoch in der Zusammensetzung des Verbundes gespeichert sein, d.h. in der genauen Menge jedes seiner Einzelteile, und nicht in der Sequenz molekularer 'Perlen' auf einer Kette. Eine passende Analogie waere Parfuem: Die Information - der Geruch, der von den Rezeptoren in der Nase erkannt wird - haengt vom genauen Anteil jeder Ingredienz in der Mischung ab, doch die Reihenfolge, in der die Aromen zusammengemischt werden, ist unerheblich.
Nach Auffassung der Autoren koennte man also sagen, dass heterogene Lipidverbunde ueber ein 'kompositorisches Genom' verfuegen. Sie demonstrieren ausserdem, wie bei einem Troepfchen-aehnlichen Lipidverbund, wenn er waechst und sich teilt, eine Form der Vererbung zum Ausdruck kommt. Ihre Computersimulationen zeigen, wie ein kompositorisches Genom mit einiger Bestaendigkeit an nachkommende Verbunde weitergegeben werden kann. Ein entscheidender Aspekt des Modells ist die Erklaerung, wie eine solche molekulare Vererbung moeglich ist. In heutigen Zellen wird die Duplikation des Informationstraegers DNS durch Protein-Enzym-Katalysatoren gefoerdert. In der fruehen, praebiologischen Zeit koennte die Katalyse durch dieselben lipidaehnlichen Substanzen geschehen sein, die die Information enthalten. Molekuele, die bereits in einem Troepfchen enthalten sind, wuerden als molekulares Auswahlkomittee dienen, welches die Zugangsbedingungen fuer eine Sorte erhoeht, fuer andere erschwert.
Lancet, Segre und Ben-Eli entwickelten eine computergestuetzte Simulation, die allein anhand von physiochemischen Prinzipien zeigt, wie Lipidtroepfchen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen sich verbinden, wachsen, sich teilen, reduplizieren, kompositorische Mutationen akkumulieren und in ein sehr komplexes Evolutionsspiel geraten. Wichtig ist, dass gesamte Verbunde mit ihren komplexen Mischungen aus relativ kleinen Molekuelen redupliziert werden. Hier unterscheidet sich der neue Ansatz von aelteren Modellen, bei denen ein einziges, langes RNS-Polymer kopiert wird. Das Modell der Wissenschaftler setzt nur wenige chemische Annahmen voraus und leitet ein vielschichtiges molekulares Verhalten ab, das an Vorgaenge des Lebens erinnert. Daher hat es das Potential, die lang gesuchte Bruecke von der unbelebten in die belebte Welt zu schlagen.
Die Forschungsarbeit hat bereits einiges Aufsehen erregt und wurde in der kuerzlich veroeffentlichten, neuen Ausgabe des Klassikers 'Origins of Life' von Freeman Dyson (Princeton Institute of Advanced Study) zitiert. Die naechste wichtige Frage, die sich stellt: Wie koennen Lipidtroepfchen die zahlreichen Uebergaenge und Veraenderungen vollziehen, die notwendig sind, um zu den lebenden Zellen, wie wir sie heute kennen, zu fuehren? In diesem Sinn ist die Studie der erste Schritt auf einer langen Reise.
Professor Lancet ist Inhaber des Ralph-und-Lois-Silver-Lehrstuhls fuer Neurogenomik.
Die Studie von Prof. Lancet wird gefoerdert durch die Ebner-Familienstiftung fuer Biomedizinische Forschung, Israel; die Henri-und-Francoise-Glasberg-Stiftung, Frankreich; die Alfred-Krupp-von-Bohlen-und- Halbach-Stiftung, Deutschland; la Foundation Raphael et Regina Levy, Frankreich; dem Dr. Ernst Nathan-Fonds fuer Biomedizinische Forschung, USA; der Kalman-und-Ida-Wolens-Stiftung, USA und dem Wolfson Family Charitable Trust, England.
Criteria of this press release:
Biology, Chemistry, Information technology, Social studies
transregional, national
Research projects, Research results
German
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