Die Amyloid-Hypothese: Die Entstehungsgeschichte des Lebens neu schreiben

Neue Forschungsergebnisse untersuchen, wie Amyloide, die sich unter frühen Erdbedingungen bilden und an RNA und DNA binden konnten, möglicherweise eine Schlüsselrolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben, indem sie die molekulare Stabilität erhöht und Kooperation statt Konkurrenz gefördert haben.

Die Frage, wie aus unbelebter Materie lebende Organismen entstehen, bleibt eines der tiefsten Rätsel der Wissenschaft. Trotz zahlreicher Theorien ist eine endgültige Erklärung noch immer unklar. Dies ist nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass diese Ereignisse vor drei bis vier Milliarden Jahren unter völlig anderen Bedingungen auf der alten Erde stattfanden.

Begründen Sie Hypothesen mit experimentellen Daten

„Über einen so langen Zeitraum hat die Evolution die Spuren, die zum Ursprung des Lebens führen, völlig verwischt“, sagt Roland Reck, Professor für physikalische Chemie und Co-Direktor des neuen interdisziplinären Zentrums für Entstehung und Verbreitung des Lebens an der ETH Zürich. Der Wissenschaft bleibt nichts anderes übrig, als Hypothesen zu formulieren – und diese mit experimentellen Daten möglichst vollständig zu beweisen.

Rick und sein Team verfolgen seit Jahren die Idee, dass proteinähnliche Aggregate, sogenannte Amyloide, eine wichtige Rolle beim Übergang zwischen Chemie und Biologie spielen könnten. Der erste Schritt für Ricks Forschungsgruppe bestand darin, zu zeigen, dass sich solche Amyloide relativ leicht unter Bedingungen bilden können, die auf der frühen Erde geherrscht haben könnten: Im Labor genügt ein wenig vulkanisches Gas (plus experimentelles Geschick und viel Geduld). ) der Einfachheit halber Aminosäuren Sie verbinden sich zu kurzen Peptidketten, die sich dann spontan zu Fasern zusammenfügen.

Elementare Moleküle des Lebens

Später zeigte Ricks Team, dass Amyloide sich selbst replizieren konnten, was bedeutete, dass die Moleküle ein weiteres entscheidendes Kriterium erfüllten, um als Vorläufer des Lebens zu gelten. Nun gehen Forscher in ihrer neuesten Studie zum dritten Mal in die gleiche Richtung und zeigen, dass Amyloide in der Lage sind, sich an Moleküle beider… zu binden. RNA Und DNA.

Diese Wechselwirkungen beruhen teilweise auf elektrostatischer Anziehung, da einige Amyloide – zumindest an einigen Stellen – positiv geladen sind, während genetisches Material zumindest in einer neutralen bis sauren Umgebung eine negative Ladung trägt. Allerdings stellten Rick und sein Team auch fest, dass die Wechselwirkungen auch von den Sequenzen der RNA- und DNA-Nukleotide im genetischen Material abhängen. Das bedeutet, dass sie möglicherweise eine Art Einführung in den universellen genetischen Code darstellen, der alle Lebewesen vereint.

Erhöhte Stabilität als Hauptmerkmal

Allerdings: „Obwohl wir Unterschiede darin sehen, wie RNA- und DNA-Moleküle an Amyloide binden, verstehen wir noch nicht, was diese Unterschiede bedeuten“, sagt Rick. „Unser Modell ist wahrscheinlich noch zu einfach.“ Deshalb sieht er einen weiteren Aspekt der Erkenntnisse als besonders wichtig an: Wenn sich genetisches Material an Amyloide anlagert, gewinnen beide Moleküle an Stabilität. In der Antike mag diese erhöhte Stabilität ein großer Vorteil gewesen sein.

Dies liegt daran, dass die biochemischen Moleküle damals in der sogenannten Ursuppe stark verdünnt waren. Vergleichen Sie dies mit den heutigen biologischen Zellen, in denen diese Moleküle dicht aneinander gepackt sind. „Amyloide haben nachweislich die Fähigkeit, die lokale Konzentration und Anordnung von Nukleotiden in einem verdünnten ungeordneten System zu erhöhen“, schrieben die RIC-Forscher in ihrem kürzlich veröffentlichten Artikel.

Rick weist darauf hin, dass Wettbewerb zwar ein Schlüsselelement von Darwins Evolutionstheorie ist, Kooperation aber auch eine Schlüsselrolle in der Evolution gespielt hat. Beide Molekülklassen profitieren von der stabilisierenden Wechselwirkung zwischen Amyloiden und RNA- oder DNA-Molekülen, da sich langlebige Moleküle mit der Zeit stärker anreichern als instabile Materialien. Möglicherweise war die molekulare Zusammenarbeit und nicht die Konkurrenz der entscheidende Faktor für die Entstehung des Lebens. „Jedenfalls gab es damals wahrscheinlich keinen Mangel an Platz oder Ressourcen“, sagt Rick.

Referenz: „Analyse von Nukleotid- und Amyloid-Wechselwirkungen zeigt codongrößenselektive Bindung von RNA“ von Saroj K. Root, Ricardo Cadalbert, Nina Schröder, Julia Wang, Johannes Zehnder, Olivia Gump, Thomas Wiegand, Peter Guntert, David Klingler, Christoph Kreutz, Anna Knorrlein, Jonathan Hall, Jason Greenwald und Roland Reck, 2. Oktober 2023, Zeitschrift der American Chemical Society.
doi: 10.1021/jacs.3c06287