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Pub­li­ka­tion in Nature Chem­is­try

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  • Neues aus der Fa­kul­tät 2021
Grafikillustration © Matreux et al, Nature Chem­is­try 2021
In dem Szenario, das im Paper vor­ge­stellt wird, reichern sich Magnesiumionen in den Spalten im Basalt-Glas stark an. Die RNA-Stränge (Ribozyme) brauchen Magnesiumionen für ih­re katalytischen Aktivitäten, vertragen aber keine hohen Konzentrationen an Natriumionen.

Ging unserem heutigen Leben eine Welt voraus, die auf RNA als universellen Bau­stei­nen basierte und erst später von DNA abgelöst wurde? In ei­nem in­ter­dis­zi­pli­nä­ren For­schungs­team un­ter­su­chen Wis­sen­schaft­ler*innen aus Dort­mund und Mün­chen, wel­che Rolle die Ribonukleinsäuren (RNA) bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnten. Die Ar­beit zeigt, wie unter realistischen geologischen Be­din­gun­gen Prozesse, die für die Entstehung des Lebens bedeutsam gewesen sein mögen, durch physikalische Nichtgleichgewichtsprozesse begünstigt worden sein könnten. Die Erkennt­nisse wurden kürz­lich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Nature Chem­is­try ver­öf­fent­licht.

Während in heutigen Lebensformen die Desoxyribonukleinsäure (DNA) den Bauplan der Proteine, den Nanomaschinen des Lebens, enthält, spielt in der RNA-Welt-Hypothese deren Schwesterpolymer eine zentrale Rolle. Die Hypothese geht davon aus, dass das Leben aus sich selbst reproduzierenden RNA-Mo­le­kü­len entstand, die vor der Evolution von DNA und Proteinen existierten. RNA kann beides sein, Informationsspeicher und Nanomaschine. Dies macht sie als Kandidat für das erste Biopolymer des Lebens be­son­ders in­te­res­sant, weil sie dadurch prinzipiell die Sequenz anderer RNA-Stränge kopieren kann und damit den Prozess der Darwin’schen Evolution hätte starten kön­nen.

Um die Aufgabe als Nanomaschine erfüllen zu kön­nen, muss sich die RNA jedoch ähnlich wie Proteine in eine korrekte und somit aktive Form falten – ein Prozess für den sie spezifische An­for­de­run­gen an ih­re Um­ge­bung stellt. Insbesondere benötigt sie dafür eine relativ hohe Konzentration an zweifach geladenen Magnesiumionen und eine möglichst geringe Konzentration an einfach geladenem Natrium, da letzteres zu einer Fehlfaltung der RNA-Stränge führen kann. Bisher war jedoch unklar, wie solche vorteilhaften Be­din­gun­gen durch präbiotisch plausible Prozesse erzeugt wer­den kön­nen.

For­schungs­ko­ope­ra­ti­on zwischen Biophysik, Geowissenschaften und chemischer Biologie

In ei­nem in­ter­dis­zi­pli­nä­ren Forschungsansatz konn­ten nun Wis­sen­schaft­ler*innen der Ludwig-Maximilians-Uni­ver­si­tät (LMU) Mün­chen und der TU Dort­mund aus den Be­rei­chen Biophysik, Geowissenschaften und che­mi­sche Biologie zei­gen, wie aus damals wie heute hochverfügbarem Basalt und einfachen Wär­me­flüs­sen das für die RNA-Faltung richtige Verhältnis zwischen Magnesium- und Natriumionen durch natürliche Prozesse be­reit­ge­stellt wer­den konnte.

Dafür wurden zuerst in der Ar­beits­gruppe der Geowissenschaften von Don Dingwell und Bettina Scheu (LMU) die Basalt-Proben in ver­schie­de­nen Zustandsformen, Gestein oder Glas, syn­the­ti­siert. Das Basalt-Glas er­hält man hierbei durch das rasche Abkühlen von geschmolzenem Basalt, ein natürlicher Prozess wie er seit der Existenz der Ozeane kontinuierlich auf der Erde stattfindet. In ei­nem zwei­ten Schritt un­ter­such­ten die Biophysiker der Ar­beits­gruppe von Dieter Braun und Christof Mast (LMU), wel­che Mengen an Magnesium und Natriumionen unter verschiedensten Randbedingungen, wie Temperatur oder Korngröße des Geomaterials, herausgelöst wer­den konn­ten. Hierbei zeigte sich, dass stets deutlich mehr Natrium ins Wasser gelangt als Magnesium – letzteres in viel geringeren Konzentrationen, als für die RNA-Nanomaschinen benötigt.

Betrachtet man nun jedoch das volle Bild mit Wärmeströmen, wel­che aufgrund der hohen geologischen Aktivität sehr wahrscheinlich vorhanden waren, ändert sich die Situation maß­geb­lich. In den feinen Kanälen, wie sie in basaltischem Glas leicht zu finden sind, führt ein solcher Wärmestrom zur gleichzeitigen Konvektion des Wassers und zu einer Drift der Salzionen entgegen des Wärmstroms. Dieser Thermophorese genannte Effekt ist dabei stark von der Ladungszahl und Größe der Ionen abhängig. In Kombination führen die Konvektion und Thermophorese schließlich dazu, dass sich Magnesiumionen viel stärker lokal an­rei­chern als Natriumionen. Die Forscher konn­ten dabei zei­gen, dass das un­ter­schied­lich star­ke Aufkonzentrieren der Salze mit der Größe des Gesamtsystems zunimmt.

Die entsprechenden Test-Systeme in Form von katalytisch aktiven RNA-Strängen (Ribozym) wurde durch die Ar­beits­gruppe von Hannes Mutschler (TU Dort­mund) be­reit­ge­stellt. Insbesondere konnte das Team zei­gen, dass die thermophoretischen Be­din­gun­gen die Selbstreproduktion eines Modell-Ribozyms deutlich ver­bes­sern. Den gleichen Effekt beobachteten sie auch für ein wei­te­res Ribozym, welches unter dem Ein­fluss der Thermophorese in der Lage war, mehrere kurze RNA-Stränge zu verknüpfen und damit sehr lange RNA-Mo­le­kü­le zu er­zeu­gen. Diese beiden grundlegenden biologischen Aktivitäten waren auch durch die Auftrennung der Natrium- und Magnesiumionen, wie sie in den thermophoretischen Systemen vorkommt, deutlich effektiver. Selbst sehr große Natrium-Überschüsse im Be­reich von 1000:1 im Vergleich zu Magnesium, die in manchen prebiotischen Szenarien angenommen wer­den und mit der RNA-Katalyse nicht kompatibel sind, kön­nen durch das im Paper vorgestellte Szenario ausgeglichen wer­den, sodass die Ribozyme trotzdem ih­re Ar­beit verrichten kön­nen.

Portrait Hannes Mutschler © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund
Prof. Hannes Mutschler un­ter­sucht, wel­che Rolle die Ribonukleinsäuren (RNA) bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnten.

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