Forscher der University of Cambridge haben nun einen Mechanismus entdeckt, der diesen Prozess deutlich beschleunigen könnte. Ihre Ergebnisse zeigen: Elektronen können sich in bestimmten Materialien viel schneller bewegen als bisher angenommen. Das könnte langfristig zu effizienteren Solarzellen führen.

Elektronen bewegen sich im Takt der Atome

Im Experiment wechselte ein Elektron in nur 18 Femtosekunden von einem Molekül zum nächsten. Das entspricht 18 Billiardstel Sekunden. Diese Zeitspanne ist so kurz, dass sie kaum vorstellbar ist.

Zum Vergleich: In einer einzigen Sekunde vergehen etwa achtmal mehr Femtosekunden, als Stunden seit Beginn des Universums vergangen sind. Auf dieser extrem kurzen Zeitskala schwingen Atome in Molekülen ständig.

Die Forscher beobachteten, dass sich Elektronen fast im gleichen Rhythmus bewegen wie diese atomaren Schwingungen. „Wir beobachten Elektronen im selben Takt wie die Atome selbst“, beschreibt Studienautor Dr. Pratyush Ghosh vom St John’s College in Cambridge den Effekt.

Forscher bauten bewusst ein „schlechtes“ Materialsystem

Nach bisherigen Lehrbüchern der Solarphysik braucht schneller Ladungstransfer deutliche Energieunterschiede zwischen zwei Materialien. Diese Unterschiede beschleunigen den Elektronentransfer, können aber gleichzeitig den Wirkungsgrad senken.

Das Cambridge-Team entschied sich deshalb für ein System, das nach diesen Regeln eigentlich langsam hätte sein müssen. Der Energieunterschied zwischen den Materialien lag unter 100 Millielektronenvolt, zudem war die elektronische Kopplung bewusst schwach.

„Nach den üblichen Designregeln hätte dieses System langsam sein müssen – genau das macht das Ergebnis so überraschend“, sagt Ghosh.

Doch das Gegenteil trat ein. Das Elektron überquerte die Grenzfläche in nur 18 Femtosekunden. In vielen organischen Materialien dauert dieser Prozess normalerweise 100 bis 250 Femtosekunden.

Molekülschwingungen treiben Elektronen aktiv an

Ultraschnelle Laserexperimente zeigten den Grund für diesen Effekt. Sobald das Polymer Licht absorbiert, beginnen bestimmte Teile des Moleküls in hochfrequenten Mustern zu schwingen.

Diese Schwingungen treiben den Elektronentransfer aktiv an. Das Elektron bewegt sich nicht zufällig durch das Material, sondern gerichtet und sehr schnell.

Ghosh beschreibt den Mechanismus so: „Die Schwingung wirkt wie ein molekulares Katapult. Sie begleitet den Prozess nicht nur, sie treibt ihn an.“

Sobald das Elektron das zweite Molekül erreicht, löst es dort eine neue, koordinierte Schwingung aus. Solche Signale gelten in der Forschung als deutlicher Hinweis auf extrem schnellen Ladungstransfer.

Warum dieser Prozess für Solarzellen so wichtig ist

Trifft Licht auf ein organisches Solarmaterial, entsteht zunächst ein gebundenes Teilchenpaar: ein Elektron und ein sogenanntes Loch. Physiker nennen dieses Paar Exziton.

Damit Strom entstehen kann, müssen sich beide Ladungen schnell voneinander trennen. Je schneller das gelingt, desto weniger Energie geht verloren.

Bisher galt eine einfache Regel: Schneller Ladungstransfer erfordert große Energieunterschiede zwischen den Materialien – und damit auch höhere Verluste.

Die neue Studie stellt diese Annahme infrage. Die Forscher schreiben, dass ultraschneller Ladungstransfer auch ohne große Energieunterschiede möglich ist. Entscheidend sei, wie stark und in welchem Muster Moleküle schwingen.

Neue Designregeln für effizientere Solarzellen

Die Ergebnisse geben Impulse bei der Entwicklung besserer Solarmaterialien. Statt große Energieunterschiede zu erzwingen, könnten Entwickler gezielt Molekülschwingungen nutzen.

Professor Akshay Rao vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge erklärt: „Anstatt molekulare Bewegung zu unterdrücken, können wir Materialien so entwerfen, dass sie sie nutzen – wir machen Schwingungen vom Hindernis zum Werkzeug.“

Das Prinzip ist nicht nur für Solarzellen relevant. Ähnliche Prozesse spielen auch bei Photodetektoren, bei der Herstellung von Wasserstoff mit Sonnenlicht und sogar in der natürlichen Photosynthese eine Rolle.

Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung hängt also nicht allein von statischen Energieunterschieden ab. Entscheidend ist auch, wie Moleküle schwingen und wie sie räumlich angeordnet sind.

Kurz zusammengefasst:

• Elektronen können sich in bestimmten organischen Solarmaterialien in nur 18 Femtosekunden trennen – obwohl der Energieunterschied unter 100 Millielektronenvolt liegt und die Kopplung schwach ist.
• Hochfrequente Molekülschwingungen mit Perioden von etwa 22 bis 26 Femtosekunden treiben diesen Ladungstransfer aktiv und gerichtet an, statt ihn dem Zufall zu überlassen.
• Weil dieser ultraschnelle Prozess ohne große Energieverluste funktioniert, eröffnen sich neue physikalische Möglichkeiten für effizientere Solarzellen.

Übrigens: Während Forscher Molekülschwingungen nutzen, um Solarzellen effizienter zu machen, arbeiten andere Teams daran, Sonnenenergie chemisch zu speichern und erst Tage später in Wasserstoff umzuwandeln. Ein neues Polymer trennt Lichtaufnahme und H₂-Produktion zeitlich und könnte so Industrieprozesse unabhängiger von Wetter und Stromschwankungen machen. Mehr dazu in unserem Artikel.

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Die Studie stammt von einem Team um die Umweltchemikerin Ludmilla Aristilde an der Northwestern University. Untersucht wurde Ferrihydrit, ein weit verbreitetes Eisenoxid, das besonders häufig in wurzelnahen Böden und organikreichen Sedimenten vorkommt. Mehr als ein Drittel des organischen Kohlenstoffs im Boden ist an Eisenoxide gebunden. Deshalb kommt es darauf an, wie stabil diese Mineralien den Kohlenstoff festhalten.

Eisen wirkt im Boden als chemischer Fixierer

Eisen zieht organische Moleküle zunächst wie ein Magnet an – anschließend fixiert es sie chemisch. Die Oberfläche des Minerals ist dabei kein gleichmäßig positiv geladener Film. Im Nanobereich entsteht ein Mosaik aus positiven und negativen Feldern. Dadurch können unterschiedlich geladene Moleküle andocken.

Neben elektrostatischer Anziehung entstehen direkte chemische Bindungen an Eisenatome sowie Wasserstoffbrücken. Besonders stabil sind Verbindungen, bei denen ein sogenannter Ligandenaustausch stattfindet. Dabei ersetzt ein organisches Molekül eine Oberflächengruppe des Minerals. Diese Mehrfachbindung macht die Verankerung langlebig.

Hier beginnt die ökologische Wirkung dieser Chemie. Denn was fest an einem Mineral sitzt, steht Mikroorganismen nicht mehr frei zur Verfügung.

Mikroorganismen stoßen an Grenzen – CO₂-Freisetzung verlangsamt sich

Im Boden arbeiten Milliarden Mikroorganismen. Sie zersetzen abgestorbene Pflanzenreste, Proteine, Zucker oder organische Säuren. Dieser Abbau setzt Energie frei. Gleichzeitig entsteht CO₂. Ein erheblicher Teil des gebundenen Kohlenstoffs würde so wieder in die Atmosphäre zurückkehren.

Doch nicht jedes Molekül bleibt für Mikroben erreichbar. Bindet es an ein Eisenmineral, verändert sich seine Position. Es liegt nicht mehr frei, sondern sitzt an der Mineraloberfläche. Manche Verbindungen gehen einen Ligandenaustausch mit Eisen ein. Das erhöht ihre Stabilität deutlich. Für Mikroorganismen wird der Zugriff schwieriger.

Die Folge: Der Abbau verlangsamt sich. Kohlenstoff verbleibt länger im Boden. Je stabiler die Bindung, desto geringer die Wahrscheinlichkeit, dass er rasch als CO₂ freigesetzt wird. Jeder stabil gebundene Kohlenstoffanteil ist weniger CO₂ in der Atmosphäre.

„Eisenoxid-Minerale sind wichtig für die Kontrolle der langfristigen Erhaltung von organischem Kohlenstoff in Böden und marinen Sedimenten“, erklärt Aristilde. „Das Schicksal des organischen Kohlenstoffs in der Umwelt ist eng mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf verknüpft, einschließlich der Umwandlung organischer Substanz in Treibhausgase“, so die Chemikerin.

Der Effekt bremst den Kohlenstoffkreislauf spürbar

Wenn organische Moleküle fest an Eisenminerale andocken, verlängert sich ihre Lebensdauer. Dieser Mechanismus wirkt wie eine Bremse im Kohlenstoffkreislauf. Wird organisches Material rasch von Mikroorganismen abgebaut, steigt die CO₂-Freisetzung. Sitzt es stabil an Mineraloberflächen, verbleibt es im Bodenpool. Das stärkt die Rolle der Böden als Kohlenstoffsenke.

Je stärker organische Stoffe an Eisen gebunden sind, desto robuster reagiert der Speicher auf Temperaturschwankungen oder veränderte Feuchtigkeitsbedingungen. Zwar können extreme Bedingungen Bindungen lösen, doch stabile chemische Verankerungen erhöhen die Widerstandsfähigkeit. Damit beeinflusst die Mineralstruktur langfristige Klimaprognosen.

Eisen beeinflusst auch die Qualität des Bodens

Der Effekt betrifft nicht nur das Klima. Organischer Kohlenstoff ist ein zentraler Bestandteil fruchtbarer Böden. Er verbessert:

• die Bodenstruktur
• die Wasserspeicherfähigkeit
• die Nährstoffverfügbarkeit
• die Stabilität gegenüber Erosion

Bindet organische Substanz an Mineralien, entsteht eine stabile Bodenmatrix. Diese Struktur macht Böden krümeliger und fördert die Durchlüftung. Gleichzeitig schützt die Bindung organische Nährstoffe vor schnellem Abbau. Das kann die langfristige Bodenfruchtbarkeit erhöhen.

Allerdings braucht ein gesunder Boden Balance. Sehr fest gebundene Verbindungen stehen Mikroorganismen nur eingeschränkt als Energiequelle zur Verfügung. Ein aktives Bodenleben benötigt daher sowohl stabile als auch leicht verfügbare Kohlenstoffverbindungen.

Kurz zusammengefasst:

• Böden speichern weltweit rund 2.500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff; mehr als ein Drittel davon ist an Eisenoxide wie Ferrihydrit gebunden, die organische Moleküle nicht nur anziehen, sondern chemisch fixieren.
• Diese stabile Bindung – etwa durch Ligandenaustausch, elektrostatische Kräfte und Wasserstoffbrücken – erschwert Mikroorganismen den Zugriff, verlangsamt den Abbau organischer Substanz und reduziert so die CO₂-Freisetzung.
• Der Mechanismus stabilisiert organische Substanz im Boden und stärkt damit seine Funktion als Kohlenstoffsenke.

Übrigens: Als Wälder in den Dürrejahren kaum noch CO₂ aufnahmen, sprang der Boden ein und band überraschend große Mengen Kohlenstoff aus abgestorbenen Wurzeln, Laub und Holz. Warum dieser unsichtbare Puffer die Klimabilanz kurzfristig stabilisieren kann – und wo seine Grenzen liegen – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Ludmilla Aristilde

Forscher der University of Georgia haben das Leuchten der Fledermäuse erstmals genau vermessen und Erstaunliches entdeckt. In ihrer Untersuchung, veröffentlicht im Fachjournal Ecology and Evolution, liefern sie erstmals präzise Daten zu diesem geheimnisvollen Phänomen.

UV-Licht enthüllt geisterhaftes Leuchten

Sechs Fledermausarten aus Nordamerika standen im Mittelpunkt der Studie: 

• Große Braune Fledermaus (Eptesicus fuscus)
• Rote Fledermaus (Lasiurus borealis)
• Südstaaten-Rotfledermaus (Lasiurus seminolus)
• Südöstliches Mausohr (Myotis austroriparius)
• Graues Mausohr (Myotis grisescens)
• Mexikanische Bulldoggfledermaus (Tadarida brasiliensis).

Untersucht wurden 60 Museumsexemplare, die in mehreren US-Bundesstaaten gesammelt wurden. Manche von ihnen sind über hundert Jahre alt. Als die Forscher sie unter einer 410-Nanometer-UV-Lampe untersuchten, stellten sie fest: Ihre Flügel, Hinterbeine und die Flughaut zwischen den Beinen – das sogenannte Uropatagium – begannen, zu leuchten.

Mit einem Spektroradiometer bestimmten die Experten den exakten Wellenlängenbereich der Lichtemission. Der Spitzenwert lag konstant zwischen 520 und 552 Nanometern, also im Bereich des sichtbaren Grüns.

Keine Unterschiede zwischen Arten und Geschlechtern

Zwischen den sechs Arten gab es keine signifikanten Unterschiede. Auch das Geschlecht der Fledermäuse spielte keine Rolle. Selbst das Alter der Präparate, das immerhin zwischen 22 und 103 Jahren lag, hatte laut Studie keinen Einfluss auf die Messergebnisse.

Das Team verglich zudem Arten, die in Bäumen schlafen, mit solchen, die sich in Höhlen oder Spalten zurückziehen. Auch hier zeigte sich kein Einfluss der Lebensweise. Tarnung durch Anpassung an das Umfeld, etwa an grüne Blätter, scheint daher unwahrscheinlich.

Gemeinsamer Ursprung wahrscheinlich

Weil Art und Geschlecht keine Unterschiede zeigten, schließen die Wissenschaftler auf eine gemeinsame chemische Basis. Sie vermuten sogenannte Luminophore – Moleküle, die bei allen untersuchten Arten in ähnlicher Form vorkommen. In der Publikation ist von einer möglichen Synapomorphie die Rede.

Dabei handelt es sich um ein Merkmal, das mehrere verwandte Arten besitzen, weil sie es von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt habe – eine neue Eigenschaft, die bei diesem Vorfahren erstmals entstanden ist und seine Nachkommen miteinander verbindet. Ein einfaches Beispiel dafür sind Federn: Alle heutigen Vögel haben welche, weil ihr gemeinsamer Vorfahr sie als Erster entwickelte.

Wissen die Tiere, dass sie leuchten? – Vielleicht

Interessant ist auch, dass die gemessenen Wellenlängen genau in dem Bereich liegen, den Fledermäuse vermutlich wahrnehmen können. Frühere Arbeiten beschreiben, dass ihre mittel- bis langwellenempfindlichen Sehpigmente Licht zwischen 536 und 560 Nanometern erkennen. Damit könnten sie ihr eigenes Leuchten – und das ihrer Artgenossen – theoretisch sehen. Ob das tatsächlich geschieht, bleibt jedoch offen.

Ebenfalls unklar ist, ob in der freien Natur überhaupt genug UV-Licht vorhanden ist, um diesen Effekt auszulösen. In Höhlen dürfte dies kaum der Fall sein. Daher wollen die Forscher künftig Messungen unter natürlichen Lichtbedingungen durchführen.

Kommunikationsmittel oder chemischer Nebeneffekt?

Fledermäuse besitzen ausgeprägte soziale Strukturen, manche Arten leben in großen Gruppen. Daher prüfen die Wissenschaftler, ob das Leuchten eine Rolle in der Kommunikation spielen könnte – etwa beim Erkennen von Artgenossen in der Dämmerung. Bislang gibt es dafür jedoch keine Belege.

Chemische Prozesse gelten als weitere Erklärung. Möglicherweise entsteht das Leuchten unfreiwillig durch bestimmte Stoffwechselprodukte oder Eiweißverbindungen. Denkbar ist auch, dass mikroskopisch feine Strukturen das UV-Licht einfach streuen, sodass der grüne Schimmer ohne aktive Fluoreszenz entsteht.

Leuchten der Fledermäuse bleibt ein Mysterium

Die Ursache des Leuchtens bleibt trotz genauer Messungen unklar. Es werden weitere Experimente nötig sein, um den genauen Ursprung zu klären. Besonders spannend wäre ein Vergleich zwischen lebenden Tieren und alten Präparaten, um zu prüfen, ob das Leuchten im Alltag der Fledermäuse eine Rolle spielt – oder nur ein faszinierendes Nebenprodukt ihrer Biochemie ist.

Übrigens sind Fledermäuse nicht die einzigen Säugetiere mit dieser besonderen Eigenschaft. Erst im Jahr 2020 fanden Forscher durch Zufall heraus, dass Schnabeltiere ebenfalls unter UV-Licht leuchten. Für diese Studie wurde ebenfalls ein Museumsexemplar untersucht.

Kurz zusammengefasst:

• Einige nordamerikanische Fledermausarten leuchten unter UV-Licht in einem grünen Farbton – unabhängig von Art, Geschlecht oder Alter.
• Die Forscher vermuten eine gemeinsame chemische Ursache für das Phänomen, ein sogenanntes vererbtes Merkmal oder Synapomorphie.
• Ob das Leuchten eine biologische Funktion hat oder nur ein Nebenprodukt der Fledermaus-Biochemie ist, bleibt bislang ungeklärt.

Übrigens: Fledermäuse sind auch dafür bekannt, äußerst starke Immunsysteme zu besitzen. Dadurch können ihnen viele Viren, die für den Menschen tödlich sind, nichts anhaben. Was der Mensch daraus lernen kann, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash (mit KI bearbeitet)

Viele setzen auf Magen-OPs oder Medikamente wie GLP-1-Präparate (z. B. Ozempic oder Wegovy). Doch nicht jeder hat Zugang zu diesen Therapien, und oft bleibt der Erfolg nicht von Dauer. Zudem treten Nebenwirkungen wie Übelkeit, Verdauungsprobleme oder Muskelabbau auf, und die Behandlung ist teuer und langfristig nötig. Forscher des Salk Institute for Biological Studies in Kalifornien wollen deshalb einen völlig neuen Ansatz verfolgen – mit Mikroproteinen.

Mikroproteine – unterschätzte Moleküle im „dunklen“ Erbgut

Mikroproteine sind winzige Eiweißbausteine, die im ganzen Körper vorkommen und unzählige Prozesse steuern. Lange galten viele ihrer Baupläne als „junk DNA“ – Abschnitte des Erbguts, die keine Funktion haben sollten. Neue Technologien wie CRISPR-Screenings haben diese Ansicht verändert: Die Analyse dieser „dunklen“ Genomregionen hat bekannte Proteinbibliotheken um 10 bis 30 Prozent erweitert.

Ein prominentes Beispiel ist GLP-1 selbst – ebenfalls ein Mikroprotein, das Blutzucker reguliert und den Appetit dämpft. Sein Erfolg zeigt, wie wirksam diese Molekülklasse sein kann, auch wenn bestehende Präparate noch nicht optimal sind.

CRISPR findet neue Steuerfaktoren für den Fettstoffwechsel

Das Team um Studienleiter Alan Saghatelian nutzte die CRISPR-Genschere, um tausende Gene in Fettzellen zu durchforsten. Das Ziel: Gene zu finden, die Mikroproteine codieren, welche Fettzellbildung oder Lipid-Einlagerung regulieren.

Dabei kam ein neues Prä-Fettzellmodell zum Einsatz, das den Übergang von unreifen zu reifen Fettzellen abbildet. So lassen sich gezielter Mikroproteine identifizieren, die in genau dieser Entwicklungsphase eine Rolle spielen.

Nach der Auswertung entstand eine Liste mit 38 potenziellen Mikroproteinen, die an der Bildung von Fetttropfen beteiligt sind – ein klares Zeichen für steigende Fetteinlagerung. Eines davon konnten die Forscher direkt bestätigen: Adipocyte-smORF-1183.

Wie aus einem Gen ein Schlüsselfaktor der Fettspeicherung wird

Das Besondere an der Methode: CRISPR-Screenings finden nicht direkt das Protein, sondern das dazugehörige Gen. Erst im Laborversuch wird geprüft, ob das Gen tatsächlich ein funktionierendes Mikroprotein hervorbringt.

Bei Adipocyte-smORF-1183 gelang dieser Nachweis. Tests mit Mausmodellen zeigten, dass es die Bildung von Fetttropfen in Fettzellen beeinflusst – und damit direkt in den Energiespeicherprozess eingreift. Für die Forscher ist das ein Beleg, dass CRISPR-Screenings gezielt Mikroproteine aufspüren können, die für Übergewicht und Stoffwechselprozesse relevant sind.

Warum dieser Fund wichtig ist

• Neuer therapeutischer Ansatz: Mikroproteine bieten potenziell wirksamere und verträglichere Optionen als bestehende Wirkstoffe, weil sie gezielt in zentrale Stoffwechselwege eingreifen.
• Übergewicht und andere Krankheiten: Die Zielmoleküle könnten auch für die Behandlung von Typ-2-Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und anderen metabolischen Störungen wichtig werden.
• Erster CRISPR-Screen dieser Art: Laut Erstautor Victor Pai ist dies die erste gezielte Suche nach Mikroproteinen, die an der Vermehrung von Fettzellen beteiligt sind – ein methodischer Meilenstein in der Stoffwechselforschung.

Vom Mausmodell zur Therapie

Als Nächstes will das Team den Ansatz auf menschliche Fettzellen übertragen. Die Forscher wollen eine erweiterte Liste potenzieller Wirkstoffkandidaten aufstellen, die sich für künftige Medikamente eignen. Langfristig könnte dies zu einer neuen Generation von Obesitas- und Stoffwechseltherapeutika führen.

Professor Ronald Evans, Mitautor der Studie, bringt eine wichtige historische Perspektive ein: Er gilt als Experte für PPAR gamma, einen zentralen Regler der Fettzellbildung. Medikamente, die diesen Mechanismus ansteuern, hatten bislang zu viele Nebenwirkungen wie Knochenschwund oder zusätzliche Gewichtszunahme.

Der Blick auf Mikroproteine eröffnet hier eine Chance, gezielter und möglicherweise mit weniger Nebenwirkungen zu wirken. Saghatelian erklärt: „Die neuen Screening-Technologien ermöglichen es uns, eine ganz neue Ebene biologischer Regulation durch Mikroproteine sichtbar zu machen.“

Kurz zusammengefasst:

• Übergewicht betrifft weltweit über eine Milliarde Menschen und steigert das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und andere Folgeschäden.
• Forscher des Salk Institute identifizierten mithilfe von CRISPR ein Mikroprotein, das die Fettspeicherung in Zellen direkt beeinflusst.
• Der Fund könnte die Entwicklung neuer Therapien ermöglichen, die gezielter wirken und weniger Nebenwirkungen haben als aktuelle Medikamente wie GLP-1-Präparate.

Übrigens: Eine finnische Studie zeigt, dass Kleinkinder nach früher Antibiotikaeinnahme häufiger Übergewicht entwickeln – mehr dazu in unserem Artikel.

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Es handelt sich um Stoffe wie Ethylenglykol und Glykolnitril – chemische Verbindungen, die in unserem Alltag kaum eine Rolle spielen, im Weltall aber eine wichtige Bedeutung haben könnten. Gefunden wurden sie im System V883 Orionis. Mit dem Radioteleskop ALMA in Chile gelang der Nachweis in einer protoplanetaren Scheibe – also dort, wo neue Planeten entstehen.

Frühform von Leben: Organische Moleküle schon vor den ersten Sternen

Die beiden Moleküle gelten als Vorstufe wichtiger Stoffe wie Zucker oder Aminosäuren. Ihre Struktur ist komplex: mehr als fünf Atome, darunter mindestens ein Kohlenstoffatom – ein typisches Merkmal organischer Chemie. Insgesamt identifizierte das Team 17 solcher Verbindungen. Studienleiter Abubakar Fadul erklärt:

Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass es eine direkte Entwicklungskette zwischen interstellaren Molekülwolken und voll ausgebildeten Planetensystemen gibt, mit der die chemische Vielfalt und Komplexität ständig zunimmt.

Die Studie bezeugt: Die Moleküle sind also kein Zufallsprodukt, sondern Teil eines längeren Prozesses, der schon vor der Entstehung von Sternen beginnt.

Alte Theorie wankt: Moleküle überdauern kosmische Umbrüche

Lange glaubte man, dass der Weg von der Gaswolke zum Planeten so turbulent sei, dass alle früheren chemischen Verbindungen zerstört würden. Doch genau das Gegenteil scheint der Fall zu sein. „Protoplanetare Scheiben übernehmen komplexe Moleküle aus früheren Stadien“, sagt MPIA-Wissenschaftlerin Kamber Schwarz.

Der Zeitraum zwischen der explosiven Phase des Protosterns und dem Aufbau einer stabilen Scheibe ist kurz. Zu kurz, um all diese Moleküle neu zu bilden. Das legt nahe: Die Bausteine des Lebens werden nicht erst auf Planeten geschaffen – sie bringen ihre Geschichte aus dem All mit.

UV-Licht beeinflusst die Molekülbildung

Tushar Suhasaria, Laborleiter am MPIA und Mitautor der Studie, beschäftigt sich seit Jahren mit dem Ursprung biologischer Substanzen. Er sagt: „Ethylenglykol kann durch UV-Licht aus Ethanolamin entstehen, einem Molekül, das wir kürzlich im All nachgewiesen haben.“ Das bedeutet: Die Moleküle bilden sich nicht nur früh, sie verändern sich auch mit der Zeit weiter.

Schon in kalten Gaswolken entstehen einfache organische Verbindungen. Wenn dann UV-Strahlung einsetzt, wie es in späteren Entwicklungsphasen passiert, werden daraus mitunter noch komplexere Strukturen. Der chemische Prozess läuft also über viele Stationen und könnte am Ende zu Leben führen.

Extreme Temperaturen wecken eingefrorene Moleküle zum Leben

Die Moleküle entstehen bevorzugt unter extrem kalten Bedingungen. Sie lagern sich auf Staubkörnern ab, die sich zu größeren Himmelskörpern verdichten. Dort bleiben sie oft verborgen, tiefgefroren im Inneren. Erst Hitze bringt sie wieder hervor.

Das geschieht zum Beispiel, wenn ein Komet in unserem Sonnensystem der Sonne zu nahe kommt. Dann schmilzt das Eis, Gase entweichen und lassen sich durch Spektroskopie nachweisen. Ein ähnlicher Effekt tritt bei V883 Orionis auf, wenn der zentrale Stern Strahlung aussendet. So gelangten die Forscher an die Messdaten.

Teleskop in Chile liefert aufschlussreiche Signale

„ALMA ist ideal geeignet, um die Signale komplexer Moleküle zu empfangen“, erklärt Schwarz. Das Teleskop liegt auf 5.000 Metern Höhe in der Atacama-Wüste. Dort stört kaum Feuchtigkeit – ideal für empfindliche Radiowellen. Die Europäische Südsternwarte stellte dem Team gezielt Beobachtungszeit zur Verfügung.

Diese Ausrüstung ermöglichte den Nachweis der Moleküle, die für die Entstehung von Leben eine Rolle gespielt haben könnten. Die Ergebnisse helfen nicht nur der Forschung, sie werfen auch eine neue Frage auf: Wie viele Planetensysteme im All bringen ähnliche Moleküle hervor?

Noch längst nicht alles entschlüsselt

Die Daten zeigen viele Spektrallinien, doch nicht jede lässt sich eindeutig zuordnen. „Wir haben bisher nicht alle Signaturen entschlüsselt“, sagt Schwarz. Es könnte noch längere und unbekanntere Moleküle geben, die in der jetzigen Auflösung verborgen bleiben.

„Womöglich müssen wir andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums untersuchen, um sie zu finden“, meint Fadul. Die Suche geht also weiter, nach Stoffen, die in Sternenscheiben schlummern und vielleicht auch in anderen Welten Leben ermöglichen.

Kurz zusammengefasst:

• Im jungen Sternsystem V883 Orionis haben Forscher Moleküle wie Ethylenglykol und Glykolnitril entdeckt, die als mögliche Vorstufen von Aminosäuren und Erbgut gelten.
• Diese Moleküle entstehen offenbar schon vor der Sternenbildung und überstehen selbst extreme Bedingungen wie Schockwellen und Strahlung.
• Hitze und UV-Strahlung setzen die zuvor im Eis verborgenen Moleküle frei, was ihre Rolle als Bausteine für Leben im All wahrscheinlicher macht.

Übrigens: Selbst im direkten Einflussbereich eines supermassereichen Schwarzen Lochs können Sterne entstehen – und sogar als Doppel existieren. Mehr dazu in unserem Artikel.

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Neues System PROTEUS verändert Moleküle gezielt

PROTEUS steht für „PROTein Evolution Using Selection“. Das System basiert auf dem Prinzip der gerichteten Evolution: Forscher steuern gezielt genetische Veränderungen, um Moleküle mit neuen oder verbesserten Funktionen zu entwickeln. Der natürliche Selektionsprozess wird dabei im Labor nachgeahmt und stark beschleunigt.

Die Forschung fand am Charles Perkins Centre statt, gemeinsam mit dem Centenary Institute. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Was bedeutet „gerichtete Evolution“?

• Es handelt sich hierbei um ein biotechnologisches Verfahren, das natürliche Mutationen gezielt im Labor nachahmt.
• Ziel ist es, Moleküle mit neuen oder optimierten Eigenschaften erschaffen.
• Der Vorteil dieser Methode: Sie erspart langwierige Zufallsprozesse der Natur – Lösungen entstehen in Tagen oder Wochen statt in Jahren.
• Im Jahr 2018 wurde die Entwicklung gerichteter Evolution bei Bakterien mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt.

Gezielte Lösungen für bisher unlösbare genetische Probleme

PROTEUS eröffnet neue Möglichkeiten in der Medizin. Die Forscher wollen damit Werkzeuge für die Genbearbeitung verbessern – etwa Varianten der CRISPR-Technologie. Auch bei genetischen Problemen, für die bisher keine Lösung bekannt war, soll das System helfen.

„Wir können eine Säugetierzelle mit einem genetischen Problem programmieren, bei dem wir nicht wissen, wie wir es lösen sollen“, erklärte Dr. Christopher Denes, der die Studie leitete. PROTEUS testet dann automatisch Millionen Varianten durch, bis eine funktionierende Lösung gefunden wird.

Ein entscheidender Vorteil: Anders als frühere Systeme arbeitet PROTEUS nicht in Bakterien, sondern direkt in Säugetierzellen. Moleküle lassen sich so präziser an die Bedingungen im menschlichen Körper anpassen.

Nanobodies erkennen DNA-Schäden

Das Forschungsteam nutzte PROTEUS bereits, um Proteine zu erzeugen, die sich einfacher über Medikamente steuern lassen. Zusätzlich entwickelten sie sogenannte Nanobodies – kleine Antikörper, die gezielt DNA-Schäden aufspüren können. Solche Schäden gelten als wichtige Ursache für viele Krebsarten.

„Mit PROTEUS können wir neue Moleküle erzeugen, die optimal auf unseren Körper abgestimmt sind“, sagte Professor Greg Neely, der das Projekt am Dr. John and Anne Chong Lab betreut. Damit könnten in Zukunft Medikamente möglich werden, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder sogar unmöglich herzustellen sind.

Viren-Hybride sichern die Zuverlässigkeit

Eine Herausforderung bestand darin, das System vor falschen Lösungen zu schützen. Man befürchtete, dass Zellen einfache Auswege finden könnten, ohne das eigentliche Problem zu lösen. Die Forscher verhinderten das mit virusähnlichen Partikeln: Sie kombinierten die Hülle eines Virus mit dem Erbgut eines anderen.

Diese Hybrid-Konstruktion nutzte Merkmale zweier Virusfamilien und sorgte dafür, dass sich nur echte Lösungen durchsetzten, während ungeeignete Varianten automatisch verschwanden. „PROTEUS ist stabil, robust und wurde bereits von unabhängigen Laboren bestätigt“, so Dr. Denes. Die University of Sydney stellt das System zudem offen für andere Forschungsteams zur Verfügung.

Wir hoffen, mit PROTEUS die Entwicklung neuer Enzyme, molekularer Werkzeuge und Therapeutika zu ermöglichen.

Greg Neely

Kurz zusammengefasst:

• Ein Forschungsteam der University of Sydney hat mit PROTEUS ein System entwickelt, das gerichtete Evolution erstmals direkt in menschlichen Zellen ermöglicht.
• Dadurch lassen sich neue, auf den menschlichen Körper abgestimmte Moleküle in wenigen Wochen erzeugen – etwa für Medikamente oder Gen-Editing.
• Eine Virus-Hybrid-Technik verhindert dabei fehlerhafte Lösungen und macht PROTEUS zu einem robusten, offenen Werkzeug für die biomedizinische Forschung.

Übrigens: Ein Forschungsteam hat erstmals im Detail gezeigt, wie sich die DNA in einem frühen Embryo selbst organisiert und Fehler korrigiert. Mehr dazu gibt es in diesem Artikel zu lesen.

Bild: © Vecteezy

RNA besteht aus Nukleotiden, die Informationen speichern und Reaktionen katalysieren können. Doch sobald zwei Stränge eine Doppelhelix bilden, lassen sie sich kaum mehr trennen – es sei denn, man erhitzt sie auf über 90 Grad. „RNA-Doppelstränge funktionaler Länge und Konzentration […] verhalten sich im Wesentlichen als inerte, ‚Sackgassen‘-Produkte“, erklärt Studienautor James Attwater von University College London (UCL).

Trinukleotide stabilisieren Einzelstränge über 300 Stunden

Im Labor gelang es nun, dieses sogenannte „Strangtrennungsproblem“ zu umgehen. Der Schlüssel waren kurze RNA-Bausteine, sogenannte Trinukleotid-Triphosphate. Sie docken an einzelne RNA-Stränge an und verhindern, dass sich diese wieder paaren – ähnlich wie Klettverschluss-Abdeckungen.

Schon wenn diese Triplets nur zu einem der beiden Stränge passen, verlangsamen sie das Wiederverkleben um das 200-Fache. Werden beide Stränge passend beschichtet, bleiben sie über 300 Stunden getrennt – genug Zeit, um neue Stränge zu kopieren. Das erlaubt eine kontrollierte Replikation, wie sie am Ursprung des Lebens nötig gewesen wäre.

Wie RNA-Moleküle unter Kältebedingungen die Grundlage für Leben schufen

Das neu entwickelte System funktioniert in einem einfachen physikalischen Kreislauf. Zunächst wird der RNA-Doppelstrang in saurer Lösung und bei 80 °C getrennt. Danach wird die Lösung neutralisiert und eingefroren. In den Flüssigphasen zwischen den Eiskristallen läuft dann die eigentliche Replikation ab – bei minus 7 Grad, wo sich Salz- und Substratkonzentrationen erhöhen.

Die Ergebnisse überraschten selbst die Forscher: Ein Zyklus brachte bereits eine Ausbeute von bis zu 53 Prozent. Nach vier Zyklen vervielfachte sich die Anzahl der RNA-Stränge pro Startmolekül – bis zu zwei A⁻-Stränge (207 Prozent) und ein A⁺-Strang (104 Prozent), heißt es in der Studie.

Exponentielles Wachstum auch ohne Startvorlage möglich

Im nächsten Schritt testeten die Wissenschaftler, ob diese Methode auch mit zufälligen RNA-Sequenzen funktioniert. Sie gaben eine Mischung aus 64 verschiedenen Triplets in die Lösung – ohne spezifische Vorlage. Tatsächlich entstanden nach mehreren Zyklen neue RNA-Produkte, deren Länge und Menge stetig zunahmen.

Sogar ohne jegliche Startsequenz bildeten sich Strukturen mit Ähnlichkeit zu jenen des verwendeten Enzymsystems. Diese Entwicklung deutet auf eine Art fragmentierte Selbstreplikation hin – ein Mechanismus, der schon früh im molekularen Evolutionsprozess eine Rolle gespielt haben könnte.

Selbstreplikation erreicht bis zu 60.000-fache Verstärkung

Die Forscher beobachteten bei bestimmten RNA-Fragmenten eine exponentielle Vervielfältigung – bis zu 1,38-fach pro Zyklus. Nach 40 Wiederholungen kam es zu einer bis zu 60.000-fachen Verstärkung einzelner Sequenzen. Diese Effekte traten auch bei Fragmenten des Replikationssystems selbst auf, was auf eine mögliche Selbstkopie einzelner Bestandteile hinweist. Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass RNA unter natürlichen Umweltbedingungen zu komplexeren Strukturen heranwachsen kann.

Prinzip könnte frühe genetische Codes beeinflusst haben

Das Team machte dabei eine überraschende Entdeckung: Viele der neu gebildeten RNA-Sequenzen ähnelten im Aufbau bestimmten Mustern, wie sie auch heute noch im Erbgut vorkommen. Diese Kombinationen (Codons) sind besonders stabil – selbst wenn sich der letzte Baustein verändert, bleibt ihre Bedeutung gleich. Genau solche Muster könnten es früher ermöglicht haben, dass sich Informationen zuverlässig speichern und weitergeben ließen. Das wirkt fast so, als würde die Chemie von allein in Richtung eines funktionierenden Bauplans für Leben steuern.

Die Forscher vermuten, dass dieser chemische Selektionsprozess eine Rolle dabei gespielt haben könnte, wie sich erste genetische Codes entwickelten. Statt zufälliger Sequenzen bevorzugte das System solche mit hoher Replizierbarkeit – ein möglicher Schlüssel zur Entstehung genetischer Information.

Erkenntnisse liefern Bausteine für künftige Experimente

Die Ergebnisse zeigen, dass RNA unter einfachen Umweltbedingungen nicht nur stabil sein kann, sondern sich auch effizient selbst kopieren lässt – sogar ohne Enzyme, wie sie heutige Organismen nutzen. Mit dieser Methode lassen sich künftig weitere Fragen zur Entstehung von Leben im Labor untersuchen.

„Replikation ist fundamental für die Biologie. In gewisser Weise ist das der Grund, warum wir überhaupt existieren“, sagte Attwater. Der nun entwickelte Kreislauf bringt die Forschung diesem Ursprung einen entscheidenden Schritt näher.

Kurz zusammengefasst:

• RNA-Moleküle könnten der Ursprung von Leben sein, weil sie Informationen speichern und chemische Reaktionen auslösen können.
• Forscher haben gezeigt, dass sich solche Moleküle unter wechselnden Bedingungen aus Hitze, Kälte und Säure selbst vervielfältigen können – ohne Enzyme.
• Kurze RNA-Bausteine verhindern, dass sich die Stränge sofort wieder verbinden, und ermöglichen so eine effektive Replikation im Labor.

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Etwa 20 Prozent der gesamten Energie des menschlichen Körpers gehen an das Gehirn. Besonders die Synthese, der Transport und der Abbau von Proteinen erfordern hohe Energiemengen. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, setzen daher auf einige effiziente Mechanismen, um Energie zu sparen. Diese muss erst über die Nahrung aufgenommen werden – allzu verschwenderisch sollte der Körper also nicht damit umgehen.

Die Forscher haben anhand von zehntausenden Molekülen mit verschiedenen Eigenschaften untersucht, wie das neuronale Energiemanagement die Verteilung und die Anzahl von Boten-RNA (mRNA) und Proteinen beeinflusst. Dabei zeigte sich: Die Zellen regulieren gezielt, wo und in welcher Menge der Körper diese Moleküle produziert.

Wir fanden heraus, dass das Bestreben, Energie zu sparen, die mRNA- und Protein-Anzahl sowie deren Ort bestimmt und dabei auf jede Molekülspezies unterschiedlich wirkt – je nach Länge, Lebensdauer und anderen Eigenschaften des jeweiligen Moleküls.

Cornelius Bergmann, Doktorand am UKB

Effizientes Energiemanagement auf molekularer Ebene

So wie man beim Kauf eines neuen Kleiderschranks diesen auch nicht im Möbelhaus zusammenbaut und dann umständlich nach Hause transportiert, so synthetisiert der Körper kurzlebige Proteine bevorzugt direkt an ihrem Einsatzort – nicht im Zellkörper, sondern in den verzweigten Fortsätzen der Neuronen, den Dendriten. Dadurch sparen die Zellen Transportenergie und vermeiden unnötigen Verbrauch.

Das System verteilt langlebige Proteine so, dass ihr Transport nur minimalen Energieaufwand erfordert. Da lange Transportstrecken innerhalb der Nervenzelle viel Energie verbrauchen, platziert die Zelle mRNA für bestimmte Proteine gezielt an den Orten, an denen sie direkt in Proteine übersetzt werden. Selbst beim Abbau folgt die Zelle einem energieeffizienten Prinzip: Sie baut bestimmte Proteine bevorzugt in energetisch günstigen Bereichen ab, um wertvolle Bausteine zu erhalten.

Neues Verständnis der Genexpression

Die Studie zeigt, dass nicht nur spezifische Zellfunktionen, sondern vor allem physikalische Eigenschaften die Verteilung von Molekülen steuern. „Unser Modell bietet eine neue Perspektive, um Dutzende existierende Datensätze aus verschiedenen Laboren miteinander in Beziehung zu setzen“, sagt Kanaan Mousaei, ebenfalls Doktorand am UKB.

Mit dieser Forschung liefern die Wissenschaftler eine neue Grundlage für das Verständnis der Genexpression in Nervenzellen. Die Erkenntnisse könnten helfen, neurologische Erkrankungen besser zu verstehen und langfristig neue Therapieansätze zu entwickeln. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse dazu beitragen, neue Strategien zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson zu entwickeln.

Kurz zusammengefasst:

• Nervenzellen sparen Energie, indem sie gezielt steuern, wo und in welcher Menge die Produktion von Boten-RNA (mRNA) und Proteine stattfindet.
• Kurzlebige Proteine entstehen direkt an ihrem Einsatzort. Langlebige Proteine hingegen werden mit minimalem Aufwand, heißt über die kürzeste mögliche Strecke hinweg, transportiert.
• Physikalische Eigenschaften wie die Länge und Lebensdauer von Molekülen beeinflussen maßgeblich, wie das neuronale Energiemanagement funktioniert – eine Erkenntnis, die langfristig zur Entwicklung neuer Therapien beitragen könnte.

Bild: © Vecteezy