Ursprung des Lebens: Eine neue Weltsicht

Forschende aus München haben eine neue Theorie entwickelt, wie sich komplexes Leben auf der Erde entwickeln konnte: Sie schlagen ein neues Konzept vor, das besagt, dass eine Mischung aus RNA-Molekülen und Peptiden die Evolution hin zu komplexeren Lebensformen in Gang brachte.

Einzelsträngige RNA orange gefärbt vor blauem Hintergrund
RNA besteht aus vielen Nukleotiden, die miteinander verbunden sind. (Grafik: nobeastsofierce - stock.adobe.com)

Wie konnte das Leben auf der frühen Erde einst entstehen? Die Untersuchung dieser Frage ist eine der faszinierendsten Herausforderungen für die Wissenschaft. Welche Bedingungen müssen geherrscht haben, damit sich die Grundbausteine komplexeren Lebens bildeten? Eine zentrale Antwort fußt auf der sogenannten RNA-Welt-Idee, die der Molekularbiologie-Pionier Walter Gilbert im Jahr 1986 formulierte und nach der sich in einer Art Ursuppe zunächst sogenannte Nukleotide bildeten, die die Grundbausteine der Nukleinsäuren sind. Aus diesen formten sich dann kurze RNA-Moleküle, sogenannte Oligonukleotide. Die Oligonukleotide konnten bereits geringe Mengen an Erbinformation kodieren. Wahrscheinlich wurde dieser Vorgang im Laufe der Evolution vielschichtiger und hat irgendwann komplexeres Leben hervorgebracht.

"Die RNA-Welt Idee hat den großen Vorzug, dass sie einen Weg vorzeichnet, auf dem komplexe Biomoleküle wie Nukleinsäuren mit optimierten katalytischen und zugleich Informations-kodierenden Eigenschaften entstehen können", sagt Prof. Dr. Thomas Carell von der Ludwig-Maximilians-Universität München. Das Erbmaterial, wie wir es heute kennen, besteht aus Doppelsträngen von DNA, einer leicht abgewandelten, haltbareren Form von großen Molekülen, die aus Nukleinsäuren bestehen.

Die Idee birgt jedoch auch Probleme, so ist die RNA zunächst ein überaus fragiles Molekül, vor allem, wenn es länger wird. Unklar ist zudem, wie es zur Verknüpfung der RNA-Moleküle mit der Welt der Proteine gekommen sein könnte, für die das Erbmaterial ja die Baupläne liefert. Die Arbeitsgruppe von LMU-Chemiker Thomas Carell hat nun entdeckt, wie diese Verknüpfung vonstattengegangen sein könnte – und ihre Arbeit wurde vom renommierten Fachmagazin nature in dem Artikel "A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world" publiziert. Carells Froschung wird von der VolkswagenStiftung im Rahmen ihrer Förderinitiative "Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens" in dem Projekt "Chemical Studies to Elucidate the Evolution of the Ribosome (EvoRib)" gefödert.

Molekulare Fossile nehmen Schlüsselstellung bei Evolution ein

Um ihre Erkenntnisse zu verstehen, muss man sich die RNA noch einmal genauer betrachten. RNA ist an sich ein kompliziertes Großmolekül. Es besteht aus miteinander verbundenen sog. Nukleotiden, welche sich wiederum aus einem Basen-, einem Zucker- und einem Phosphatanteil zusammen. Unter den verschiedenen Basen der Nukleotide der RNA befinden sich solche, die genetische Erbinformation kodieren (die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), und solche, nicht informationskodierend sind, jedoch eine große Bedeutung für die Funktion der RNA-Moleküle haben. Sie heißen Nukleoside und bestehen nur aus einem Basen- und einem Zuckeranteil, der Phosphatanteil fehlt. Man kennt heute mehr als 120 solcher modifizierten RNA-Nukleoside, die von der Natur in RNA-Moleküle eingebaut werden. Es sind sehr wahrscheinlich Relikte der frühen RNA-Welt.

RNA Bausteine in rot und grün und ein Zyklus der die RNA-Peptid-Synthese darstellt
Die an RNA-Nukleoside angeknüpften Aminosäuren und Peptide können miteinander zu größer und komplexer werdenden Peptiden reagieren. (Grafik: ThomasCarell/Felix Müller - LMU)

Die Arbeitsgruppe von Thomas Carell hat nun herausgefunden, dass diese modifizierten RNA-Nukleoside quasi der Schlüssel sind, der es ermöglicht, die RNA-Welt mit der Welt der Proteine zu verknüpfen. Einige dieser molekularen Fossile können, wenn sie sich in der RNA befinden, sich selbst mit einzelnen Aminosäuren oder sogar kleinen Ketten davon (Peptiden) "dekorieren", so Carell. Dabei entstehen kleine RNA-Peptid-Misch-Strukturen, wenn eben neben der RNA gleichzeitig Aminosäuren oder Peptide vorhanden sind. In solchen Strukturen reagieren dann sogar die an der RNA angeknüpften Aminosäuren und Peptide miteinander zu beständig größer und komplexer werdenden Peptiden. "So entstanden im Labor RNA-Partikel, die genetische Erbinformationen kodieren können und sogar länger werdende Peptide bildeten", sagt Carell.

An RNA-Strängen wachsen Peptide an mehreren Punkten

Die uralten Fossil-Nukleoside sind also so etwas wie Keimzellen in der RNA, an denen lange Peptidketten wachsen können. An manchen RNA-Strängen wuchsen die Peptide sogar an mehreren Punkten. "Das war ein sehr überraschender Befund", sagt Carell. "Möglicherweise gab es nie eine reine RNA-Welt, sondern RNA und Peptide lagen von Anfang an in einem gemeinsamen Molekül vor." Man müsse das RNA-Welt-Konzept zu einem RNA-Peptid-Welt-Konzept erweitern. Die Peptide und die RNA hätten sich hier gegenseitig unterstützt in ihrer Evolution, so die neue Idee.

Gemäß der neuen Theorie waren am Anfang RNA-Moleküle entscheidend, die sich selbst mit Aminosäuren und Peptiden dekorieren konnten und diese so zu größeren Peptidstrukturen verknüpften. "Die RNA entwickelte sich langsam zu einem immer besseren Aminosäure-Verknüpfungs-Katalysator", sagt Carell. Bis heute hat sich dieses Verhältnis zwischen RNA und Peptiden bzw. Proteinen – also Peptide aus besonders vielen Aminosäuren – erhalten. "Die RNA-Peptid-Welt löst somit das Henne-und-Ei-Problem", sagt Carell. "Die neue Idee schafft ein Fundament, auf dem die Entstehung des Lebens langsam erklärbar wird."

Publikation

Felix Müller, Luis Escobar, Felix Xu, Ewa Węgrzyn, Milda Nainytė, Tynchtyk Amatov, Chun‐Yin Chan, Alexander Pichler & Thomas Carell. A prebiotically plausible scenario of an RNA-peptide world. Nature, 2022.