04.10.2021 - Hiroshima University

Antwort auf eine jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung des Lebens

Team japanischer Wissenschaftler hat das fehlende Bindeglied zwischen Chemie und Biologie bei der Entstehung des Lebens gefunden

Das fehlende Bindeglied ist kein noch unentdecktes Fossil. Es handelt sich um ein winziges, selbstreplizierendes Kügelchen, ein so genanntes Koazervat-Tröpfchen, das von zwei japanischen Forschern entwickelt wurde, um die Evolution der Chemie zur Biologie darzustellen.

"Die chemische Evolution wurde erstmals in den 1920er Jahren vorgeschlagen, als die Idee entstand, dass das Leben zunächst durch die Bildung von Makromolekülen aus einfachen kleinen Molekülen entstand und diese Makromoleküle molekulare Einheiten bildeten, die sich vermehren konnten", so der Erstautor Muneyuki Matsuo, Assistenzprofessor für Chemie an der Graduate School of Integrated Sciences for Life der Hiroshima University. "Seitdem wurden viele Studien durchgeführt, um die Hypothese der RNA-Welt - in der es vor der Evolution von DNA und Proteinen nur selbstreplizierendes genetisches Material gab - experimentell zu überprüfen. Der Ursprung von Molekülverbänden, die sich aus kleinen Molekülen vermehren, ist jedoch seit dem Aufkommen des chemischen Evolutionsszenarios rund hundert Jahre lang ein Rätsel geblieben. Es war das fehlende Bindeglied zwischen Chemie und Biologie bei der Entstehung des Lebens".

Matsuo hat sich mit Kensuke Kurihara, Forscher bei der KYOCERA Corporation, zusammengetan, um eine Antwort auf die jahrhundertealte Frage zu finden, wie aus den frei geformten chemischen Stoffen der frühen Erde Leben entstanden ist. Wie viele Forscher glaubten sie zunächst, dass es an der Umgebung lag: Die Bestandteile bildeten sich unter hohem Druck und hoher Temperatur und kühlten dann unter lebensfreundlicheren Bedingungen ab. Das Problem war die Vermehrung.

"Die Vermehrung erfordert eine spontane Polymerproduktion und Selbstorganisation unter denselben Bedingungen", so Matsuo.

Sie entwickelten und synthetisierten ein neues präbiotisches Monomer aus Aminosäurederivaten als Vorläufer für die Selbstorganisation primitiver Zellen. Bei Zugabe von Wasser bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck kondensierten die Aminosäurederivate und ordneten sich zu Peptiden, die dann spontan Tröpfchen bildeten. Die Tröpfchen wuchsen in Größe und Anzahl, wenn sie mit weiteren Aminosäuren gefüttert wurden. Die Forscher fanden auch heraus, dass die Tröpfchen Nukleinsäuren - genetisches Material - konzentrieren konnten und dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit gegen äußere Reize überleben würden, wenn sie diese Funktion aufwiesen.

"Eine auf Tröpfchen basierende Protozelle könnte bei der Entstehung des Lebens als Bindeglied zwischen 'Chemie' und 'Biologie' gedient haben", so Matsuo. "Diese Studie könnte dazu dienen, die Entstehung der ersten lebenden Organismen auf der Urerde zu erklären."

Die Forscher planen, den Evolutionsprozess von Aminosäurederivaten zu primitiven lebenden Zellen weiter zu untersuchen und ihre Plattform zu verbessern, um die Ursprünge des Lebens und die weitere Evolution zu verifizieren und zu untersuchen.

"Durch die Konstruktion von Peptidtröpfchen, die sich durch die Ernährung mit neuartigen Aminosäurederivaten vermehren, haben wir experimentell das seit langem bestehende Rätsel gelöst, wie präbiotische Vorfahren in der Lage waren, sich zu vermehren und zu überleben, indem sie selektiv präbiotische Chemikalien konzentrierten", sagte Matsuo. "Wir haben herausgefunden, dass die Bezeichnung 'Tröpfchenwelt' treffender ist als die Bezeichnung 'RNA-Welt', da unsere Ergebnisse darauf hindeuten, dass Tröpfchen zu entwicklungsfähigen molekularen Aggregaten wurden - von denen eines unser gemeinsamer Vorfahre wurde."

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