Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

RUB-Chemiker wagen einen Blick in die Frühphase der Evolution

17.11.2008
Systemchemie: Selbstfabrikation eines Ribozyms
"Hot Paper" in "Angewandte Chemie"

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens hat ein amerikanisch-deutsches Forscherteam mit Prof. Dr. Günter von Kiedrowski (Organische Chemie I der RUB) nun Hinweise dafür gefunden, dass Ribozyme, also RNA-Moleküle mit Enzymfunktion, sich von selbst zu größeren Einheiten zusammenlagern können. Die Forscher nennen diesen Prozess "anabolische Autokatalyse". Der umgekehrte Prozess, die Zerlegung eines größeren in mehrere kleinere Moleküle ("katabolische Autokatalyse") war bekannt.

Die Arbeit vervollständigt die Vorstellung der Wissenschaft von einer RNA-Welt, die unserer heutigen Biochemie mit DNA als genetischer Legislative, RNA als Judikative und Proteinen als Exekutiven der Zelle, vorausgegangen sein könnte. Die Studie ist als "hot paper" in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" erschienen. Ein Kommentar finde sich in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature Chemical Biology".

Komplizierte Gewaltenteilung in der Zelle

Unsere heutige Biochemie basiert auf der Gewaltenteilung zwischen DNA als genetischer Legislative, RNA als Judikative, und Proteinen als Exekutive in der Zelle. War dies immer schon so? "Die strukturelle und dynamische Komplexität dieser Gewaltenteilung ist so enorm, dass man annehmen muss, das Leben habe sich aus einer früheren, archaischen Form von Biochemie entwickelt", meint Prof. von Kiedrowski. "Vieles deutet darauf hin, dass unserer heutigen Biochemie eine RNA-Welt vorausging, in der RNA zugleich Legislative und Exekutive war." Die Entdeckung von Ribozymen (RNA als Enzym) durch Cech und Altman (Chemie Nobelpreis 1987) belegt die Rolle von RNA als Exekutive. Seit der Jahrtausendwende wissen wir, dass sogar das Ribosom im Kern seiner Aktivität ein Ribozym ist.

Lücken - bis heute nicht geschlossen

Wenn RNA auch Legislative ist, muss es enzymfreie Wege zur Selbstreplikation von Nucleinsäuren wie RNA geben. Zwar kennt man diese seit 1986 für kurze Nucleinsäurestränge. Aber die aus der chemischen Selbstreplikation von kurzen Sequenzen gezogenen Schlüsse lassen sich nur sehr eingeschränkt auf die Replikation längerer Stränge übertragen. Der alternative Weg, nämlich durch Evolution im Reagenzglas ein Ribozym zu finden, welches als verknüpfende Polymerase wirkt, konnte diese Lücke bis heute ebenfalls noch nicht schließen: Stets war das Ribozym um mindestens eine Größenordnung länger als der Strang, von dem eine Kopie hergestellt werden sollte.

Schablone und Katalysator zugleich

Selbstreplikation lässt sich im Sinne einer "genetischen Autokatalyse" verstehen: Ein Replikator muss gleichzeitig als informationsgebendes Templat (Schablone) und als Katalysator seiner eigenen Synthese (Autokatalysator) wirken - auf diese Weise kann es bei kurzen Strängen zum autokatalytischen Wachstum kommen. Das amerikanisch-deutsche Team hat nun Hinweise darauf gefunden, dass bei Ribozymen mit Ligaseaktivität selbstbeschleunigendes Wachstum auch durch "anabolische Autokatalyse" entstehen kann. Unter anabolischer Autokatalyse verstehen die Autoren die Selbstfabrikation eines größeren Moleküls aus kleineren Untereinheiten.

Zuerst noch Bauchschmerzen ...

Für den Nachweis der Selbstfabrikation synthetisierte das Team vier Untereinheiten eines Ribozyms, die sich spontan zu einem nichtkovalenten Komplex zusammenlagern. Dieser "trans Komplex" entsteht, weil seine Bausteine die Information mitbringen, die für die geordnete Zusammenlagerung per Basenpaarung erforderlich ist. Das Ribozym selbst kann aus diesem Komplex durch kovalente Verknüpfung der Strangenden dieser Bausteine entstehen, hierzu ist allerdings ein Katalysator erforderlich. Die Autoren fanden, dass das Ribozym als Reaktionsprodukt eine erkennbar bessere katalytische Wirkung entfaltet als der trans-Komplex oder die zwischenzeitlich entstehenden Ribozym-Vorstufen. "Das gesamte Reaktionsnetzwerk ist allerdings sehr komplex, Seine dynamische Modellierung und die Anpassung der kinetischen Daten an das Modell ließen sich nur durch Vereinfachungen vornehmen, deren Legitimität mir anfangs Bauchschmerzen bereitet haben" sagt Günter von Kiedrowski. "Erst durch Zusammenziehung aller Fakten entstand ein konsistentes Bild."

Wurzeln der Darwin'schen Evolution

Sollte sich anabolische Autokatalyse auch bei anderen Ribozymen finden lassen, so wirft das ein neues Bild auf die Frühphase der Evolution in einer RNA-Welt. Gelingt es nämlich, die chemische Selbstreplikation der Ribozym-Bausteine an die Ribozym-Selbstfabrikation zu koppeln, so wäre ein langgesuchtes Bindeglied gefunden, das zu den Wurzeln einer Evolvierbarkeit im Darwin'schen Sinne führen könnte. Für von Kiedrowski ist das Auffinden dieser Wurzeln die zentrale Herausforderung an die Systemchemie.

Titelaufnahmen

Eric J. Hayden, Günter von Kiedrowski, Niles Lehman: Systems Chemistry on Ribozyme Self-Construction: Evidence for Anabolic Autocatalysis in a Recombination Network. In: Angewandte Chemie, Volume 120 Issue 44, Pages 8552 - 8556, DOI: 10.1002/ange.200802177, http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/121402340/HTMLSTART

Kommentar "An autocatalytic network for ribozyme self-construction" von Burckhard Seelig in: Nature Chemical Biology, November 2008, Volume 4 No 11, pp654-655

Weitere Informationen

Prof. Dr. Günter von Kiedrowski, Lehrstuhl für Organische Chemie I, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23218, E-Mail: kiedro@rub.de

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/121402340/HTMLSTART

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neue Arten in der Nordsee-Kita
05.12.2016 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Alter beeinflusst den Mikronährstoffgehalt im Blut
05.12.2016 | Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke

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: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden «Krebssignatur» in Proteinen

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wichtiger Prozess für Wolkenbildung aus Gasen entschlüsselt

05.12.2016 | Geowissenschaften

Frühwarnsignale für Seen halten nicht, was sie versprechen

05.12.2016 | Ökologie Umwelt- Naturschutz