Der Ursprung des Lebens könnte zwei getrennte Wege genommen haben

Wie wird aus Chemie Leben? Irgendwann vor mehr als vier Milliarden Jahren mussten aus einfachen Molekülen Systeme entstehen, die Informationen speichern, Stoffe umwandeln und sich selbst erhalten konnten. Genau dieser Übergang gehört bis heute zu den schwierigsten Rätseln der Biologie.

Eine neue Studie zeichnet nun ein überraschend differenziertes Bild. Der letzte gemeinsame Vorfahr allen heutigen zellulären Lebens, LUCA, besaß offenbar bereits den genetischen Code und konnte Proteine herstellen. Doch sein Stoffwechsel war noch nicht vollständig ausgebaut. Einige lebenswichtige Reaktionen könnten damals noch ohne Enzyme abgelaufen sein.

Ein genetischer Code – aber zwei Wege zum zellulären Leben

Erst danach trennten sich die Wege. Bakterien und Archaeen entwickelten offenbar unabhängig voneinander verschiedene Enzyme für dieselben chemischen Aufgaben. Das würde bedeuten: Der genetische Code entstand nur einmal – der letzte Schritt hin zu eigenständig lebenden Zellen könnte sich dagegen zweimal vollzogen haben.

Hinter der Arbeit steht ein internationales Forschungsteam um Natalia Mrnjavac und William F. Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU). Die Studie erschien im Fachjournal Science Advances.

Für ihre Rekonstruktion verglichen die Wissenschaftler Genome und Proteinstrukturen von 552 Bakterien- und 401 Archaeen-Isolaten. So ordneten sie Enzyme insgesamt 361 grundlegenden Stoffwechselreaktionen zu – darunter Prozesse, mit denen Zellen Aminosäuren, Nukleobasen und Cofaktoren herstellen. Auf dieser Basis konnten sie abschätzen, welche biochemischen Fähigkeiten bereits LUCA besaß und welche erst später in Bakterien und Archaeen entstanden.

Fünf Enzyme entstanden unabhängig voneinander

Wie sich diese Trennung im Stoffwechsel niederschlug, zeigen die rekonstruierten Enzyme. 166 Enzyme des untersuchten Kernstoffwechsels lassen sich bereits diesem gemeinsamen Vorfahren zuordnen. Weitere 89 entstanden später auf dem Weg zu den Bakterien, 38 auf dem Weg zu den Archaeen. Bei 37 Enzymen blieb die Zuordnung offen.

Besonders aufschlussreich sind fünf Stoffwechselreaktionen, für die beide Gruppen unabhängig voneinander verschiedene Enzyme entwickelten. Diese Proteine erfüllen dieselbe chemische Aufgabe, unterscheiden sich strukturell aber deutlich. Betroffen sind unter anderem Reaktionen bei der Herstellung von Alanin, im Shikimat-Stoffwechsel und bei der Riboflavin-Synthese.

„Wir sehen Fälle, in denen die Vorfahren von Bakterien und Archaeen unabhängig voneinander strukturell unterschiedliche Enzyme entwickelten, um dieselbe lebenswichtige Stoffwechselreaktion zu katalysieren“, sagt Mrnjavac.

Bakterien und Archaeen vollendeten ihren Stoffwechsel getrennt

Für die Forscher ist das ein Hinweis darauf, dass Bakterien und Archaeen den Weg zu vollständig eigenständigen Zellen nicht gemeinsam zu Ende gingen. Grundlegende biologische Funktionen waren bereits vorhanden, einige entscheidende Teile des Stoffwechsels entstanden jedoch offenbar erst nach der Trennung beider Linien.

Martin fasst die These entsprechend zugespitzt zusammen:

Wir sehen einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens.

Metalle könnten frühe Enzyme ersetzt haben

Damit stellt sich eine weitere Frage: Was übernahm die Arbeit der Enzyme, bevor diese überhaupt existierten? Eine mögliche Antwort liefern Metalle, wie sie in hydrothermalen Systemen vorkommen. Eisen, Kobalt, Nickel und Palladium können chemische Reaktionen beschleunigen, für die heutige Zellen spezialisierte Enzyme benötigen. „Metalle, die natürlicherweise in hydrothermalen Quellen vorkommen, können erstaunlich viele Enzyme im Stoffwechsel ersetzen“, sagt Harun Tüysüz vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung.

Für 37 der untersuchten Reaktionen, rund zehn Prozent, ist bereits gezeigt worden, dass sie unter hydrothermalen Bedingungen mit Metallkatalysatoren ablaufen können. Bei weiteren 106 gelang derselbe grundlegende Reaktionstyp. In 23 Fällen führten andere chemische Wege zu denselben Ausgangs- und Endprodukten.

Hydrothermale Quellen boten günstige Bedingungen

Besonders interessant sind sogenannte serpentinisierende hydrothermale Systeme. Dort reagiert Wasser mit Gestein. Dabei entstehen unter anderem Wasserstoff und reaktive Metallverbindungen. Poren und Risse im Gestein können gelöste Stoffe zudem lokal anreichern.

Unter solchen Bedingungen wären nach den Berechnungen der Wissenschaftler 91 Prozent der untersuchten Stoffwechselreaktionen energetisch begünstigt gewesen. 134 Reaktionen, rund 37 Prozent, beziehen Phosphatgruppen ein. Phosphat ist bis heute eng mit der Energieübertragung in Zellen verbunden.

Phosphit könnte frühe Reaktionen mit Energie versorgt haben

Für frühes Leben ergab sich dabei ein grundlegendes Problem. Moderne Zellen nutzen vor allem ATP als Energieträger. Dessen Herstellung setzt jedoch bereits komplexe biologische Strukturen voraus. Die Wissenschaftler untersuchten deshalb, ob einfachere phosphorhaltige Verbindungen einen früheren Weg ermöglicht haben könnten.

Nickel wandelte Phosphit bei 100 Grad Celsius innerhalb von 18 Stunden zu etwa 75 Prozent in Phosphat und Wasserstoff um. Mit Palladium entstand bei 50 Grad Celsius aus AMP zudem ADP; nach 72 Stunden lag die Ausbeute bei rund acht Prozent. Serin wurde unter ähnlichen Bedingungen innerhalb von 18 Stunden zu 42 Prozent in Phosphoserin umgewandelt.

Die Experimente bilden die Bedingungen auf der jungen Erde allerdings nicht eins zu eins nach. So lagen die verwendeten Phosphit-Konzentrationen über den Werten, die bislang in serpentinisierenden Gesteinen gemessen wurden. Die Forscher halten dennoch höhere lokale Konzentrationen auf der frühen Erde für plausibel.

Bei der Serpentinisierung kann sich das Volumen des Gesteins um bis zu 44 Prozent vergrößern. Dadurch entstehen Risse und abgeschlossene Bereiche, in denen sich gelöste Stoffe stärker konzentrieren können. Solche Mikroreaktionsräume könnten chemische Prozesse begünstigt haben, lange bevor komplexe Zellen existierten.

Mineralische Katalysatoren übernahmen womöglich zunächst Aufgaben, die später Enzyme erfüllten. Bakterien und Archaeen könnten ihren Stoffwechsel anschließend auf unterschiedlichen Wegen vervollständigt haben.

Kurz zusammengefasst:

Der gemeinsame Vorfahr heutiger Zellen besaß bereits genetische und biochemische Grundlagen, sein enzymatischer Stoffwechsel war aber noch nicht vollständig.
Bakterien und Archaeen entwickelten für mindestens fünf gleiche Stoffwechselreaktionen unabhängig voneinander unterschiedliche Enzyme.
Metalle und Phosphit aus hydrothermalen Systemen könnten frühe Stoffwechselreaktionen ermöglicht haben, bevor moderne Enzyme und ATP-Systeme entstanden.

Übrigens: Auch im Labor kommen Forscher dem Ursprung des Lebens näher. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehrere Grundbausteine des Lebens früh parallel entstanden sein könnten. Mehr dazu in unserem Artikel.