Forschung an selbstreplizierenden Systemen

Moleküle, die sich selbst vermehren

Dem chemischen Ursprung des Lebens auf der Spur
Rubin 1/06: Forschung an selbstreplizierenden Systemen

Das Leben auf der Erde entstand aus einfachen chemischen Elementen. Doch wie konnten sich aus Kohlenstoff, Wasserstoff oder Stickstoff die Grundbausteine des Lebens – etwa DNA-Erbmoleküle – bilden? Weltweit suchen die Forscher nach dem Übergang eines chemischen in ein biologisches System, dabei geht es ihnen vor allem um das „Bauprinzip des Lebens“. Dr. Insa Reimold-Stahl im Team von Prof. Dr. Günter von Kiedrowski (Bioorganische und Supramolekulare Chemie, Fakultät für Chemie) hat jetzt erstmals ein experimentelles Energieprofil für ein selbstreplizierendes System erstellt und konnte damit sein Wachstumsverhalten nachvollziehen.

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Einblick in ein einfaches System

Lebende Systeme können sich selbst erhalten, optimieren und anpassen. Die Bochumer Chemiker erforschen die Prinzipien künstlicher selbstreplizierender Systeme, etwa aus drei Molekülen (A, B und C). Molekül C wirkt dabei als Matrize und regt die anderen (A, B) an, zu einer Kopie zu reagieren, die dann für den Reaktionszyklus verfügbar ist. Das System kann sich vervielfachen, die Produkte beschleunigen ihre Bildung und übertragen Informationen. Mit einer speziellen spektroskopischen Methode verfolgen die Forscher die Reaktionsabläufe des Systems, indem sie Signale der beteiligten Wasserstoffatome empfangen und auswerten. Es gilt: Je stärker das Signal, desto höher die Konzentration des Moleküls. Im Experiment stieg die Konzentration der Matrize erst langsam, dann immer schneller (exponentiell) an, da die gebildeten Kopien die Reaktion beschleunigen, bis die Ausgangsmoleküle aufgebraucht sind.

Bild oder Spiegelbild: Die Evolution entscheidet

Die Moleküle des Systems können Chirale sein. Ein chiraler Stoff kommt in zwei Formen vor, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Sie unterscheiden sich nicht in ihren Eigenschaften, treffen aber in einem selbstreplizierenden System zwei Chirale aufeinander, ergeben sich zwei mögliche Reaktionswege: Die beiden Formen des Matrizenmoleküls können entweder Bild oder Spiegelbild eines Ausgangsmoleküls binden, sodass unterschiedliche Produkte entstehen. In der Natur gibt es oft nur einen dieser Reaktionswege. Die Forscher vermuten hier einen Evolutionsprozess, dessen Prinzipien für die Suche nach den Entstehungswegen des Lebens interessant sind. In den Experimenten ließ sich jedoch kein bevorzugter Reaktionsweg nachweisen. Möglicherweise erfolgt eine chirale Differenzierung erst in komplexeren Systemen.

Erstmals experimentelles Energieprofil erstellt

Erstmals erstellten die Forscher neben einem theoretisch berechneten auch ein experimentell ermitteltes Energieprofil. Dazu haben sie die Energiestufen der beteiligten Komponenten gemessen und in einem Koordinatensystem dargestellt. Einige Teilreaktionen des Systems setzen Energie frei, andere erfordern Energieaufnahme. Ein Vergleich der Energieänderungen erlaubt Rückschlüsse auf das Wachstumsverhalten des Systems und eine mögliche Bevorzugung bestimmter Reaktionswege. Exponentielles Wachstum eines Systems führt zu Selektion und damit zur Evolution, parabolisches – symmetrisch ansteigendes und dann abfallendes Wachstum – zu Koexistenz. Bei dem untersuchten System ging anfängliches exponentielles Wachstum in parabolisches über. Dies stellt somit noch keine Selektion dar. Es erlaubte aber, bisher nur theoretisch abgeleitete Voraussagen für selbstreplizierende Systeme experimentell nachzuvollziehen. Die Kombination verschiedener Methoden ist eine Neuheit in der Replikationsforschung.

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Weitere Informationen

Prof. Dr. Günter von Kiedrowski, Bioorganische und supramolekulare Chemie, Fakultät für Chemie der RUB, Tel.: 0234/32-23218, E-Mail: kiedro@rub.de