Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanismus zur Evolution der ersten Stoffwechselprozesse entdeckt: Reaktionslawine am Ursprung des Lebens

19.01.2012
Die Entstehung erster Biomoleküle, die sich vervielfältigen und weiter entwickeln können gilt chemisch gesehen als der Ursprung des Lebens.

Dieser „Urstoffwechsel“ könnte in vulkanisch-hydrothermalen Strömungskanälen stattgefunden haben. Welche Reaktionen jedoch die Evolution dieses Urstoffwechsels auslösten, war bisher unklar.

Nun zeigten Wissenschaftler der TU München (TUM) im Laborversuch erstmals Mechanismen, mit denen wenige Biomoleküle lawinenartig neue Produkte hervorbringen und so einen selbst-expandierenden Stoffwechsel in Gang setzen können. Über ihre Ergebnisse berichtet die Fachzeitschrift „Chemistry – A European Journal“.

Vulkanisch-hydrothermale Strömungskanäle bieten eine chemisch einzigartige Umgebung, die auf den ersten Blick lebensfeindlich scheint. Es handelt sich um Risse in der Erdkruste, durch die Wasser strömt, das Vulkangase enthält und diverse Mineralien kontaktiert. Und doch – gerade in dieser extremen Umgebung könnten sich jene beiden Mechanismen entwickelt haben, die allem Leben zu Grunde liegen: Vervielfältigung von Biomolekülen (Reproduktion) und Entwicklung neuer Biomoleküle auf Basis der zuvor entstandenen Biomoleküle (Evolution).

Am Anfang dieser „Kettenreaktion“, die letztlich zur Entstehung zellulärer Lebewesen führte, stehen dabei nur einige wenige Aminosäuren, die aus den vulkanischen Gasen unter Katalyse durch die Mineralien gebildet werden. Ähnlich einem Dominostein, der eine ganze Lawine nach sich zieht, regen diese ersten Biomoleküle dann sowohl ihre eigene Vervielfältigung als auch die Produktion ganz neuer Biomoleküle an. „Auf diese Weise entsteht das Leben nach von Anfang an feststehenden Gesetzen der Chemie zwangsläufig und in einer vorgegebenen Richtung“, erklärt Günter Wächtershäuser, Honorarprofessor für evolutionäre Biochemie an der Universität Regensburg. Er hat den Mechanismus des sich selbst erzeugenden Urstoffwechsels theoretisch entwickelt – ein Laborbeweis jedoch fehlte bislang.

Nun gelang es Wissenschaftern um Claudia Huber und Wolfgang Eisenreich am Lehrstuhl für Biochemie der TU München, in enger Zusammenarbeit mit Wächtershäuser erstmals die Möglichkeit eines solchen, sich selbst anregenden Mechanismus im Labor direkt nachzuweisen. „Durch die Kombination moderner analytischer Verfahren erhalten wir immer mehr Einblicke in die molekularen Details des faszinierenden Reaktionsgeschehens“, sagt Eisenreich. Die zentrale Rolle kommt hierbei dem aus Verbindungen der Übergangsmetalle Nickel- Cobalt- oder Eisen bestehenden Katalysator zu. Er sorgt nicht nur dafür, dass die ersten Biomoleküle überhaupt entstehen können, sondern bildet zudem den Ursprung der Kettenreaktion. Der Grund: Die aus den vulkanischen Gasen gerade erst neu entstandenen Biomoleküle greifen am Zentrum des Übergangsmetall-Katalysators an und ermöglichen so weitere chemische Reaktionen, in denen ganz neue Biomoleküle geschaffen werden. „Diese Kopplung zwischen Katalysator und organischem Reaktionsprodukt ist der erste Schritt“, erklärt Wächtershäuser. „Leben entsteht, wenn es im Folgenden zu einer ganzen Kaskade weiterer Kopplungen kommt, die schließlich auch zur Bildung einer Erbsubstanz und erster Zellen führt“.

In ihren Versuchen ahmten die Forscher die Bedingungen hydrothermaler Strömungskanäle nach und etablierten ein wässrig-metallorganisches System, das eine ganze Reihe verschiedener Biomoleküle produziert, darunter auch die Aminosäuren Glycin und Alanin. Hierbei diente eine Cyano-Verbindung als Kohlenstoffquelle und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel. Nickelverbindungen erwiesen sich in den Versuchen als der effektivste Katalysator. Das entstandene Glycin und Alanin führten die Wissenschaftler dann einem weiteren System zu, das wiederum zwei neue Biomoleküle herstellte. Das Ergebnis: Die beiden Aminosäuren erhöhten die Produktivität des zweiten Systems um das Fünffache.

In folgenden Arbeiten möchten die Forscher die Bedingungen der vulkanisch-hydrothermalen Systeme, in denen das Leben vor Jahrmilliarden entstanden sein könnte noch genauer nachstellen. „Wir simulieren hierzu zunächst bestimmte Stadien in der Entwicklung eines vulkanisch-hydrothermalen Strömungssystems, um die wichtigen Parameter heraus zu finden“, erklärt Wächtershäuser. „Erst danach können wir uns mit der rationalen Konstruktion eines Strömungsreaktors befassen“.

Die Ergebnisse der Wissenschaftler um Wächtershäuser und Eisenreich zeigen, dass die Entstehung und Evolution von Leben im heißen Wasser vulkanischer Schlote praktisch möglich ist. Die Ergebnisse offenbaren Vorteile dieser Theorie im Vergleich zu anderen Ansätzen. In den vulkanischen Schloten ändern sich Temperatur, Druck und pH-Wert entlang des Strömungswegs und bieten so ein graduelles Spektrum von Bedingungen, das allen Stadien der frühen Evolution zuträglich ist, bis hin zur Entstehung der ersten Erbsubstanz (RNA/DNA).

Die wichtigste Eigenschaft des Systems jedoch ist seine Autonomie: Der erste Stoffwechsel wäre hier anders als beispielsweise beim Konzept einer „kühlen Ursuppe“ nicht auf Zufallsereignisse oder eine Jahrtausende andauernde Ansammlung wesentlicher Komponenten angewiesen. Ist der erste Dominostein erst einmal umgeworfen, fallen die anderen von selbst. Die Entstehung des Lebens bewegt sich in festen Bahnen, vorgegeben durch die Regeln der Chemie – ein chemisch determinierter Prozess an dessen Ende der Stammbaum aller Lebewesen steht.

Originalpublikation:

Elements of metabolic evolution 
C. Huber, F. Kraus, M. Hanzlik, W. Eisenreich, G. Wächtershäuser, Chemistry – A European Journal, advanced online publication: 13 Jan 2012 – DOI: 10.1002/chem.201102914

Link: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201102914/abstract

Frühere Publikation:

http://portal.mytum.de/pressestelle/pressemitteilungen/news_article.2008-05-19.2296948206

Kontakt:

Dr. Claudia Huber
Technische Universität München
Department Chemie
Lichtenbergstraße 4
85748 Garching, Germany
Tel: 089 289 13044 – Fax: 089 289 13363
E-Mail: claudia.huber@mytum.de
Internet: http://www.biochemie.ch.tum.de/index.php?id=993
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 460 Professorinnen und Professoren, 9.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 31.000 Studierenden eine der führenden technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunktfelder sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Nach zahlreichen Auszeichnungen wurde sie 2006 vom Wissenschaftsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Exzellenzuniversität gewählt. Das weltweite Netzwerk der TUM umfasst auch eine Dependance mit einem Forschungscampus in Singapur. Die TUM ist dem Leitbild einer unternehmerischen Universität verpflichtet.

Dr. Andreas Battenberg | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.forschung-garching.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften