Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Konzentrationsprobleme gelöst -- ULMU-Forscher dem Ursprung des Lebens auf der Spur

11.05.2007
Seit Jahrzehnten versucht die Forschung zu rekonstruieren, was vor etwa vier Milliarden Jahren auf unserem Planeten geschah. Schließlich entstand in diesem geologischen Zeitalter das Leben auf unserem Planeten. Noch immer ist nicht zweifelsfrei geklärt, wie aus einzelnen molekularen Strukturen einfache Lebensformen entstehen konnten.

Denn diese Prozesse setzen nicht zuletzt eine hohe Ausgangskonzentration der Biomoleküle voraus, die in der "Ursuppe" der frühzeitlichen Ozeane wohl nur stark verdünnt vorkamen. Ein internationales Team um Dr. Dieter Braun, Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, konnte nun einen Mechanismus nachweisen, der eine exponentielle Akkumulation ermöglicht haben könnte. Wie die Forscher im Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)" berichten, kann es im Porensystem von hydrothermalen Quellen am Meeresboden - die vielfach als Ursprungsort des Lebens auf der Erde gelten - wegen großer Temperaturunterschiede lokal zu einer hohen Konzentration von Biomolekülen kommen.

Am Ozeanboden finden sich hydrothermale Quellen, aus denen mehrere hundert Grad heißes Wassers austritt. Erst vor wenigen Jahrzehnten entdeckt, galten sie zunächst als extrem lebensfeindliche Umgebung - bis komplexe Ökosysteme an diesen Quellen nachgewiesen wurden. Zunehmend häuften sich auch Theorien, wonach an diesen Quellen das Leben überhaupt entstanden sein könnte. "Doch alle theoretischen und experimentellen Ansätze zum biochemischen Ursprung des Leben setzen eine hohe Ausgangskonzentration von Biomolekülen voraus", berichtet Braun. "Ungeklärt war bislang, welcher natürlich vorkommende Mechanismus dies in den frühzeitlichen Ozeanen hätte ermöglichen können, in denen auch die einfachsten Verbindungen stark verdünnt gewesen sein müssen."

In Zusammenarbeit mit anderen LMU-Forschern und internationalen Wissenschaftlern konnte er jetzt eine mögliche Lösung für dieses Konzentrationsproblem liefern: "In den ausgedehnten Porensystemen der hydrothermalen Quellen kommt ein Mechanismus zum Tragen, der eine extreme Akkumulation von Biomolekülen erlaubt", so Braun. In dem porösen Gestein in der Nähe von hydrothermalen Quellen treten hohe Temperaturgefälle auf. Eine Simulation der Prozesse durch Braun und seinen Mitarbeiter Philipp Baaske zeigte, dass in diesen länglichen, nur wenige hundert Mikrometer großen Poren selbst kleine Biomoleküle hochgradig akkumuliert werden können. "Die großen Temperaturunterschiede treiben zwei Effekte an, die Konvektion und die Thermophorese", erklärt Baaske. "In Kombination können sie eine stark erhöhte Konzentration von Biomolekülen am Boden der Pore bewirken. Dieser Mechanismus ist auch als Gastrennungsröhre oder Clusius-Röhre bekannt und wurde unter anderem versuchsweise zur Isotopentrennung von Uran benutzt."

... mehr zu:
»Akkumulation »Biomolekül »Molekül

Viele Theorien zur Entstehung des Lebens bauen darauf auf, dass sich zunächst kurze Moleküle aus RNA, eine dem Erbmolekül DNA eng verwandte Nukleinsäure, gegenseitig replizierten. Doch war nach bisherigem Wissensstand die für eine derartige "RNA-Welt" nötigen Konzentration des Moleküls nirgends auf der Erde zu finden. "Unsere Arbeit hat nun aber gezeigt, dass gerade derart kleine Verbindungen wie die kurzen RNA-Moleküle in hydrothermalen Quellen hochgradig akkumuliert werden können", berichtet Braun. "Eine optimale Konzentration der RNA wird in Poren mit einer Breite von 0,15 Millimetern und einer Länge von etwa 40 Millimetern erreicht. Dabei sammeln sich die Moleküle in einem Bereich an, der in etwa der Größe moderner Zellen entspricht." In kleineren Poren werden dagegen längere Moleküle besser akkumuliert. Dieser Mechanismus kann unter anderem auch in der Biotechnologie zur Aufkonzentration von Molekülen aus biologischen und medizinischen Proben benutzt werden.

Die Poren ähneln in ihrer Wirkung einer Art molekularen Falle, die kleine Biomoleküle genügend aufkonzentriert und längere Verbindungen exponentiell höher akkumuliert. Damit entsteht ein natürlicher Selektionsdruck der Akkumulation zugunsten größerer Moleküle. Das wäre gerade bei der molekularen Evolution ein hilfreicher Effekt, weil damit mehr und mehr Information auf den Verbindungen Platz findet. Gleichzeitig werden die größeren Moleküle verstärkt daran gehindert, sich im umgebenden Meereswasser zu verteilen. "Alles in allem können die hydrothermalen Poren also als selektive molekulare Fallen gerade für die evolutionär interessantesten Moleküle verstanden werden", meint Baaske.

Diese neue Erkenntnis war nur möglich dank einer engen interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physikern, Biochemikern und Geologen, unter ihnen auch Kono H. Lemke von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich, und Michael J. Russell vom Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien, einem der führenden Spezialisten auf dem Gebiet der hydrothermalen Quellen. Wie Braun in vorangegangenen Arbeiten bereits nachgewiesen hat und in unabhängigen Studien bestätigt wurde, können die Temperaturunterschiede in den hydrothermalen Quellen auch eine der wichtigsten biochemischen Reaktionen antreiben: die Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR, zur Vervielfältigung von Erbinformation. Damit erscheint es gut vorstellbar, dass parallel zur Akkumulation erste thermisch getriebene Replikationsreaktionen stattfanden - anfänglich wahrscheinlich noch mit Hilfe katalytisch aktiver RNA-Moleküle anstatt des hochentwickelten Enzyms Polymerase, das jetzt in der Natur diese Reaktion vorantreibt und auch in Forschungslaboren diese Funktion übernimmt.

Bislang war es nicht möglich, eine realistische experimentelle Kette von den Bedingungen auf der noch jungen Erde zu den ersten replizierenden und evolvierenden Molekülen zu konstruieren - nicht zuletzt wegen der offenen Frage der Aufkonzentrierung der Biomoleküle. "Unsere Arbeit hat zum ersten Mal eine realistische Möglichkeit für eine hohe Akkumulation nachgewiesen", so Braun. "Es zeigt sich einmal mehr, dass die interdisziplinären Ansätze, die im 'Center for NanoScience' (CeNS) der LMU besonders unterstützt und verfolgt werden, zu weit reichenden Ergebnissen führen können. Auch wenn unsere Ergebnisse keinen hinreichenden Beweis für den Ursprung des Lebens bei den hydrothermalen Quellen liefern können, sind wir der Lösung dieses Rätsels möglicherweise ein großes Stück näher gekommen."

Veröffentlichung:
"Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems", Philipp Baaske, Franz M. Weinert, Stefan Duhr, Kono H. Lemke, Michael J. Russell, and Dieter Braun, PNAS online, 9. Mai 2007
Ansprechpartner:
Dr. Dieter Braun
Department für Physik und "Center for NanoSciences (CeNS) der LMU
Tel.: 089-2180 2317
Fax: 089-2180 2050
E-Mail: dieter.braun@physik.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Akkumulation Biomolekül Molekül

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics