Proteinähnliche Strukturen aus der Ursuppe

Es muss vor 4 oder 4,5 Milliarden Jahren geschehen sein. Bloss unbelebte Materie gab es damals auf der Erde. Doch irgendwann zu dieser Zeit bildeten sich aus kleineren chemischen Verbindungen gr?ssere organisierte Strukturen, die sich selbst vervielf?ltigen konnten. Die ersten Vorstufen des Lebens waren geboren. Was das f¨¹r Molek¨¹le waren und woraus diese bestanden, ist nicht bekannt, es ist das wohl gr?sste R?tsel der Evolutionsgeschichte.

ETH-Professor Roland Riek und sein Oberassistent Jason Greenwald haben allerdings eine Vermutung: Gut m?glich, dass es sich bei diesen ersten lebens?hnlichen Strukturen um protein?hnliche Aggregate ¨C um Amyloide ¨C handelte. Neue Forschungsresultate aus ihrem Labor geben ihrer Hypothese nun Aufwind.

In einem Experiment zeigten die Wissenschaftler, dass sich solche Amyloidstrukturen verbl¨¹ffend einfach spontan bilden k?nnen ¨C aus Bausteinen, die es auf der unbelebten Erde wohl gab, und unter Reaktionsbedingungen, die f¨¹r die fr¨¹he Erde ebenfalls plausibel scheinen. Die Forscher benutzten als Ausgangsstoffe vier einfache Aminos?uren: Glycin, Alanin, Asparagins?ure und Valin. Ausserdem verwendeten sie als reaktionsbeg¨¹nstigende Verbindung (Katalysator) Carbonylsulfid, ein vulkanisches Gas, von dem man ebenfalls annehmen kann, dass es vor Jahrmilliarden auf der Erde vorhanden war.

Lange Blattstrukturen

Im Laborexperiment verbanden sich die Aminos?ure-Molek¨¹le mit Hilfe von Carbonylsulfid spontan zu kurzen, 5 bis 14 Bausteine umfassende Ketten (Peptiden). Diese Ketten wiederum lagerten sich seitw?rts nebeneinander an, in Amyloid-Strukturen, welche die Fachleute ¦Â-Faltbl?tter nennen. Im Experiment lagen diese Blattstrukturen in Faserform vor und bestanden oft aus Tausenden von aneinander liegenden Peptidketten, wie die Wissenschaftler unter anderem mit Elektronenmikroskopie zeigen konnten.

Damit sich die Aminos?ure-Molek¨¹le zu ausreichend langen Peptidketten verbanden, mussten die Wissenschaftler im Experiment einen Trick anwenden. ?Wenn man die Aminos?uren und das Carbonylsulfid einfach im Reagenzglas mischt, entstehen nur sehr kurze Peptidketten, die nicht zu einer Blattstruktur zusammenfinden?, erkl?rt Greenwald. Die Wissenschaftler tr?pfelten daher w?hrend Stunden Carbonylsulfid-aktivierte Aminos?ure-Molek¨¹le ins Reagenzglas. ?Es ist vorstellbar, dass ein ?hnlich langsamer ¨C oder ein gar Jahre dauernder  ¨C Prozess mit einem st?ndigen Zufluss neuer chemischer Verbindungen auch in der fr¨¹hen Erdgeschichte stattgefunden hat?, sagt Greenwald.

Katalytische Wirkung

Amyloide wurden unter Wissenschaftlern schon in den vergangenen Jahren als Kandidaten f¨¹r die ersten lebens?hnlichen Strukturen gehandelt. Denn es ist bekannt, dass bereits einfach aufgebaute Amyloide bestimmte chemische Funktionen wahrnehmen k?nnen. So haben Riek und seine Mitarbeiter letztes Jahr Amyloidstrukturen entdeckt, welche chemische Verbindungen der Gruppe der Ester spalten k?nnen.

Die ETH-Wissenschaftler geben allerdings zu bedenken, dass in der von ihnen postulierten ?Amyloid-Hypothese? noch ein wesentliches Puzzlest¨¹ck der Argumentationskette fehlt: K?nnen sich Amyloide auch selbst vervielf?ltigen, so wie das RNA-Molek¨¹le k?nnen? Dies sei denkbar, sagen Riek und Greenwald. Der experimentelle Nachweis steht allerdings noch aus. Sie und ihre Kollegen arbeiten daran.

Amyloide wahrscheinlicher als nur RNA

Doch bereits jetzt bezeichnen die Forscher ihre Hypothese als sehr viel wahrscheinlicher als die seit mehreren Jahrzehnten von Wissenschaftlern ge?usserte Vermutung, Vorstufen des Lebens h?tten ausschliesslich aus RNA-Molek¨¹len bestanden. Das Hauptargument der ETH-Wissenschaftler: RNA-Molek¨¹le mit einer biologischen Funktion sind verh?ltnism?ssig gross und komplex. ?Sie sind so gross, dass es unwahrscheinlich ist, dass sie spontan entstehen konnten. Bei Amyloiden sind chemische Funktionen bereits bei sehr viel einfacheren Strukturen gezeigt worden?, so Greenwald. Ausserdem seien die Bausteine der RNA komplexer als jene der Amyloide und Proteine. Letztere seien ausserdem bei harschen Umweltbedingungen stabiler. ?Dies alles macht es plausibel, dass die ersten funktionellen Molek¨¹le Amyloide waren?, sagt Riek.