Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hinweise auf spontane Bildung von Proteinvorläufern

07.10.2015

Chemiker der Universität Stuttgart beobachten die Bildung von komplexen Biomolekülen aus biochemischen Grundbausteinen.

Wissenschaftler am Institut für Organische Chemie der Universität Stuttgart haben festgestellt, dass unter bestimmten Bedingungen spontane Reaktionen zwischen Ribonucleotiden und Aminosäuren ablaufen, die zu Molekülen führen, die sowohl Ribonukleinsäure (RNA) als auch Peptide enthalten.


Vereinfachte Darstellung der biochemischen Proteinsynthese (links) und der im Labor gefundenen spontanen chemischen Prozesse.

(Graphik: M. Jauker)

Die Beobachtungen geben Hinweise auf eine primitive Vorform der Proteinsynthese, wie sie in der präbiotischen Evolution hätte ablaufen können. Damit wird es wahrscheinlicher, dass das Leben nicht mit einer reinen 'RNA-Welt' begann, sondern mit einer molekularen Welt, in der sowohl RNA als auch kleinste Proteine gebildet wurden. Die Ergebnisse wurden in der angesehenen Fachzeitschrift Angewandte Chemie publiziert.

Das Leben beruht auf einer komplizierten biochemischen Maschinerie, deren Ursprünge bislang noch nicht klar sind. Die wichtigsten biochemischen Maschinen sind Enzyme (Proteine). Die Baupläne der Enzyme sind in der DNA abgelegt und werden mit Hilfe der RNA und Enzymen abgelesen.

Ohne Enzyme also keine Ablesung und ohne Baupläne und RNA keine Enzyme. Bisher wurde als Lösung für dieses Dilemma vermutet, dass es zuerst eine sogenannte 'RNA-Welt' gab, in der RNA sowohl als Bauplan fungierte, als auch enzymähnliche Aufgaben wahrnahm. Diese Hypothese wurde durch experimentelle Befunde gestützt. Doch wie aus der RNA-Welt die RNA-Enzyme-Welt entstanden ist, war nicht klar.

Unerwartete Beobachtung: Bildung von Peptidyl-RNAs

Jetzt haben Forscher an der Universität Stuttgart festgestellt, dass spontane Reaktionen zwischen den Grundbausteinen von RNA, den Ribonucleotiden, und Aminosäuren ablaufen, wenn sie in einem speziellen wässrigen Puffer in Kontakt miteinander kommen. Der Puffer enthält ein Kondensationsmittel, das für eine spontane Verknüpfung der Grundbausteine sorgt.

In den Mischungen entstehen nicht nur RNA-Ketten sondern auch Mischformen aus RNA und Peptiden (dem Material, aus dem Enzyme und Proteine aufgebaut sind). Diese Mischform wird Peptidyl-RNA genannt. Aus Peptidyl-RNAs haben sich möglicherweise Teile der biochemischen Maschinerie zur Proteinsynthese entwickeln können.

Die Beobachtung kam unerwartet: Eigentlich war das Team um Prof. Clemens Richert auf der Suche nach Reaktionsbedingungen gewesen, die zu einer enzymfreien Ablesung von RNA-Sequenzen führen. Als der Doktorand Mario Jauker Bedingungen einstellte, wie sie in Eis-Wasser-Mischungen beim Gefrieren von Meerwasser auftreten können und er ein potentes Kondensationsmittel zugab, beobachtete er neben den erwarteten Ablesevorgängen auch die Entstehung von neuen RNA-Ketten.

Da das Kondensationsmittel, ein organisches Derivat des Moleküls Cyanamid, auch in der Peptidsynthese eingesetzt wird, mischte der Chemieingenieur Helmut Griesser Aminosäuren zu den RNA-Bausteinen. Überraschenderweise entstanden in den salzhaltigen Pufferlösungen nun nicht nur RNA-Ketten und freie Peptide, sondern auch Peptidyl-RNAs. Solche Peptidyl-RNAs gelten seit Längerem als Schlüsselintermediate einer frühen Form der Proteinsynthese.

In der heutigen Proteinsynthese (Abbildung links) wächst die Peptidkette bis zu einem Protein, indem sie von einer Transfer-RNA zur nächsten wandert, wobei jeweils eine Aminosäure gemäß dem genetischen Code eingefügt wird. Frühere Versuche, die Entstehung von Peptidyl-RNAs in Abwesenheit von Enzymen zu induzieren, waren erfolglos geblieben.

Die Lehrmeinung auf diesem Gebiet war gewesen, dass der so genannte C-Terminus der Peptidkette und die Phosphatgruppe eines RNA-Bausteins miteinander reagieren. Eine detaillierte strukturelle Charakterisierung am Institut für Organische Chemie ergab jedoch, dass im vorliegenden Fall der entgegengesetzte, sogenannte 'N-Terminus' der Peptidkette mit dem Phosphat verknüpft ist.

Dadurch erklärt sich, warum längere Peptidyl-RNAs entstehen konnten. Bei der nun gefundenen Struktur der Peptidyl-RNAs können sowohl die Peptidkette als auch die RNA-Kette ohne Zutun der Wissenschaftler weiter wachsen. Aus den Peptidyl-RNAs wurden bei Zugabe von Essigsäure dann auch Peptide freigesetzt.

Doch nicht nur Peptidyl-RNAs entstehen in dem wässrigen Kondensations-Puffer. Durch die Zugabe von Hilfsstoffen konnten die Forschung auch Verbindungen detektieren, die im Metabolismus der Zelle eine wichtige Rolle spielen. Zu diesen gehört Adenosintriphosphat (ATP), das als Energiewährung der Zelle gilt, sowie die Cofaktoren NAD und FAD, die bei der Biosynthese vieler Zellbestandteile sowie der Energiebereitstellung in der Zelle vorkommen.

Puzzle-Teile passen besser zusammen

Damit ist nun klar, dass unter den gleichen Reaktionsbedingungen nicht nur einfaches genetisches Material, sondern auch Vorformen von Proteinen und von Schlüsselmolekülen eines primitiven Metabolismus entstehen können. Es braucht also gar keinen großen evolutionären Schritt, um von einer 'RNA-Welt' zu einer 'RNA-Protein-Welt' zu kommen. Letztere kann offensichtlich ähnlich spontan entstehen wie die RNA-Ketten selbst.

Dass dies unter Bedingungen passiert, die auch zum spontanen Kopieren von genetischer Information führen, macht diese Beobachtungen umso faszinierender. „Viele Puzzle-Teile passen für uns nun besser zusammen" sagt Professor Richert. Sein Team, zu dem jetzt auch Svenja Kaspari gehört, arbeitet gegenwärtig an Reaktionsbedingungen, die noch näher an denen sind, die heute in der Zelle gefunden werden.

Publikationen in der „Angewandten Chemie“

Die Ergebnisse ihrer bisherigen Studien haben die Stuttgarter Forscher in zwei Publikationen zusammengefasst, die in der angesehenen Fachzeitschrift Angewandte Chemie sowohl auf Englisch als auch auf Deutsch veröffentlicht werden und auch ohne Abonnement zugänglich sein werden:
Mario Jauker, Helmut Griesser und Clemens Richert: „Kopieren von RNA-Sequenzen ohne Voraktivierung", Angewandte Chemie (2015), DOI: 10.1002/ange.201506592 und "Spontane Bildung von RNA-Strängen, Peptidyl-RNA und Cofaktoren", Angewandte Chemie (2015), DOI: 10.1002/ange.201506593

Online-Version:
http://dx.doi.org/10.1002/ange.201506592 und http://dx.doi.org/10.1002/ange.201506593

Kontakt:
Prof. Clemens Richert, Universität Stuttgart, Institut für Organische Chemie, Tel. 0711/685-64311,
E-Mail: lehrstuhl-2 (at) oc.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Chemiker lassen Bor-Atome wandern
17.01.2020 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Infektiöse Proteine bei Alzheimer
17.01.2020 | Klinikum der Universität München

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: Miniatur-Doppelverglasung: Wärmeisolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material entwickelt

Styropor oder Kupfer – beide Materialien weisen stark unterschiedliche Eigenschaften auf, was ihre Fähigkeit betrifft, Wärme zu leiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz und der Universität Bayreuth haben nun gemeinsam ein neuartiges, extrem dünnes und transparentes Material entwickelt und charakterisiert, welches richtungsabhängig unterschiedliche Wärmeleiteigenschaften aufweist. Während es in einer Richtung extrem gut Wärme leiten kann, zeigt es in der anderen Richtung gute Wärmeisolation.

Wärmeisolation und Wärmeleitung spielen in unserem Alltag eine entscheidende Rolle – angefangen von Computerprozessoren, bei denen es wichtig ist, Wärme...

Im Focus: Miniature double glazing: Material developed which is heat-insulating and heat-conducting at the same time

Styrofoam or copper - both materials have very different properties with regard to their ability to conduct heat. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz and the University of Bayreuth have now jointly developed and characterized a novel, extremely thin and transparent material that has different thermal conduction properties depending on the direction. While it can conduct heat extremely well in one direction, it shows good thermal insulation in the other direction.

Thermal insulation and thermal conduction play a crucial role in our everyday lives - from computer processors, where it is important to dissipate heat as...

Im Focus: Fraunhofer IAF errichtet ein Applikationslabor für Quantensensorik

Um den Transfer von Forschungsentwicklungen aus dem Bereich der Quantensensorik in industrielle Anwendungen voranzubringen, entsteht am Fraunhofer IAF ein Applikationslabor. Damit sollen interessierte Unternehmen und insbesondere regionale KMU sowie Start-ups die Möglichkeit erhalten, das Innovationspotenzial von Quantensensoren für ihre spezifischen Anforderungen zu evaluieren. Sowohl das Land Baden-Württemberg als auch die Fraunhofer-Gesellschaft fördern das auf vier Jahre angelegte Vorhaben mit jeweils einer Million Euro.

Das Applikationslabor wird im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag«, kurz für Quantenmagnetometrie, errichtet. In dem Projekt entwickeln Forschende von...

Im Focus: Fraunhofer IAF establishes an application laboratory for quantum sensors

In order to advance the transfer of research developments from the field of quantum sensor technology into industrial applications, an application laboratory is being established at Fraunhofer IAF. This will enable interested companies and especially regional SMEs and start-ups to evaluate the innovation potential of quantum sensors for their specific requirements. Both the state of Baden-Württemberg and the Fraunhofer-Gesellschaft are supporting the four-year project with one million euros each.

The application laboratory is being set up as part of the Fraunhofer lighthouse project »QMag«, short for quantum magnetometry. In this project, researchers...

Im Focus: Wie Zellen ihr Skelett bilden

Wissenschaftler erforschen die Entstehung sogenannter Mikrotubuli

Zellen benötigen für viele wichtige Prozesse wie Zellteilung und zelluläre Transportvorgänge strukturgebende Filamente, sogenannte Mikrotubuli.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

11. Tagung Kraftwerk Batterie - Advanced Battery Power Conference am 24-25. März 2020 in Münster/Germany

16.01.2020 | Veranstaltungen

Leben auf dem Mars: Woher kommt das Methan?

16.01.2020 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2020

16.01.2020 | Veranstaltungen

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

Chemiker lassen Bor-Atome wandern

17.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Infektiöse Proteine bei Alzheimer

17.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Miniatur-Doppelverglasung: Wärmeisolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material entwickelt

17.01.2020 | Materialwissenschaften

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