Sortiermaschine des Lebens

Die ersten Spuren des Lebens auf der Erde entstanden vermutlich aus dem Zusammenschluss kleiner Biomoleküle zu komplexeren Strukturen, die sich reproduzieren und genetische Informationen speichern konnten. Christof Mast und Dieter Braun, letzterer Professor für Systems Biophysics an der LMU, untersuchen den Prozess, der die vereinzelt in der „Ursuppe“ der frühzeitlichen Ozeane schwimmenden Biomoleküle in der notwendigen Konzentration zusammenführte. Daraus entstandene Molekülketten aus RNA-Bausteinen könnten den Ausgangspunkt einer Evolution gebildet haben, die über die ersten Einzeller bis hin zur Entstehung allen Lebens geführt hat.

Bisher war es allerdings unklar, wie die Natur zwischen ,sinnvollen‘ und ,wertlosen‘ RNA-Molekülen unterscheiden und erstere so aufkonzentrieren konnte, dass sie sich ausreichend schnell verknüpfen konnten. Braun, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) ist, konnte mit seinen Mitarbeitern Christof Mast und Matthias Morasch nun Licht in dieses Geheimnis bringen: Mithilfe von Laborexperimenten zeigten die Wissenschaftler, dass Temperaturunterschiede in wassergefüllten Poren, wie es sie mutmaßlich auch im Vulkangestein der noch jungen Erde gab, ausreichen, um DNA-Bruchstücke anhand der Abfolge ihrer Bausteine sortenrein zu trennen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Angewandte Chemie.

Sortenreine Trennung

Für ihre Experimente nutzten die Forscher die Nachbildung einer natürlichen wassergefüllten Gesteinspore aus Glas, die verschiedene DNA-Bruchstücke enthielt. „Das Erbmolekül DNA ist mit RNA eng verwandt, es verhält sich in unseren Experimenten sehr ähnlich, ist aber im Labor einfacher handhabbar“, sagt Matthias Morasch, der Erstautor der Studie. Die LMU-Forscher erhitzten die künstliche Pore einseitig, sodass innerhalb der Pore ein Temperaturgefälle von etwa 17°C entstand. Dieser Wärmeunterschied reichte aus, dass sich die vorher gemischten DNA-Bruchstücke nach ihrer Basenabfolge und ihrer Fähigkeit, sich aneinander zu binden, sortieren und sortenrein ansammeln. Der Effekt basiert auf der sogenannten Thermophorese, nach der sich Moleküle entlang eines Temperaturgefälles bewegen.

„Die Trennung ist so effektiv, dass bestimmte Bruchstück-Typen sogar gelieren, sobald sie sich mit ihresgleichen zusammengefunden haben; dabei reicht ein Unterschied von nur wenigen Basen, um die DNA-Stücke in unterschiedliche Gele zu sortieren“, erklärt Mast. Diese Präzision überraschte auch die Forscher, da beispielsweise DNA-Ansammlungen, die durch Austrocknen entstanden, nicht ihrer Sequenz nach sortiert sind. Vermutlich ist das Temperaturgefälle in der Pore der entscheidende Faktor. „Einseitig geheizte Poren dürften auch im Vulkangestein der jungen Erde ein sehr häufiges Szenario gewesen sein“, sagt Braun. „Deshalb könnte die temperaturgetriebene Sortierung ein wichtiger Prozess gewesen sein, um genau die Biomoleküle herauszusuchen und zu konzentrieren, die leicht miteinander wechselwirken und sich zu längeren Ketten verbinden können – die entscheidende Voraussetzung für die Entstehung von Leben.“
(Angewandte Chemie 2016)

Publikation:
Heat flow driven oligonucleotide gelation separates single base differences
Matthias Morasch, Dieter Braun and Christof B. Mast
Angewandte Chemie 2016
Doi: 10.1002/ange.201601886
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201601886/full

Kontakt:
Professor Dr. Dieter Braun
LMU
Systems Biophysics
Telefon: +49-89-2180-2317
E-Mail: Dieter.Braun@physik.uni-muenchen.de
https://www.physik.lmu.de/personen/professoren/braun/index.html