Universität Düsseldorf: Weitere Forschung zum Ursprung des Lebens des Instituts für Molekulare Evolution

Es gab eine Zeit, in der es kein Leben auf der Erde gab, und es gibt eine Zeit mit DNA-vererbende Zellen. Der Übergang ist kaum vorstellbar. In einem engen Zeitfenster von nur etwa 200 Millionen Jahren entstanden die ersten Zellen. Da der genetische Code universell ist, gehen alle modernen Lebensformen letztendlich auf diese Phase der Evolution zurück. Das war die Zeit, in der der letzte gemeinsame Vorfahre (LUCA) aller Zellen lebte. Wenn das Leben auf der Erde in geochemischen Umgebungen wie Hydrothermalquellen begann, dann entstand es aus Gasen wie CO₂, N₂ und H₂. Anaerobe Autotrophe leben noch heute von diesen Gasen und sie bewohnen noch immer die Erdkruste. Bei der Suche nach Zusammenhängen zwischen abiotischen Prozessen in alten geologischen Systemen und biotischen Prozessen in biologischen Systemen wird deutlich, dass die chemische Aktivierung (Katalyse) dieser Gase und eine konstante Energiequelle von entscheidender Bedeutung sind.

Wir am Institut für Molekulare Evolution untersuchen die Mechanismen hydrothermaler Reaktionen, die ursprüngliche Stoffwechselwege nachahmen. Die Identifizierung geochemischer Katalysatoren, die die Gase auf dem Weg zu stickstoffhaltigen organischen Verbindungen und kleinen autokatalytischen Netzwerken aktivieren, wird ein wichtiger Schritt zum Verständnis der präbiotischen Chemie sein, die nur auf der Grundlage chemischer Energie funktioniert, ohne den Einfluss von Sonnenstrahlung. Wenn also Leben in den dunklen Tiefen hydrothermaler Quellen entstanden ist, dann ist das Verständnis der Reaktionen und Katalysatoren, die unter solchen Bedingungen ablaufen, von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Ursprünge.

In Hydrothermalquellen, sowohl in modernen als auch auf der frühen Erde, ist molekularer Wasserstoff (H₂) der Schlüssel zu Redoxreaktionen, Katalysatorsynthesen und der Bildung von Ionengradienten. Der Wasserstoff entsteht durch den spontanen geochemischen Prozess der Serpentinisierung. Dabei reagiert Wasser mit eisenhaltigen Mineralien tief in der Erdkruste. Während der Serpentinisierung werden die mineralischen Katalysatoren Awaruit (Ni₃Fe) und Magnetit (Fe₃O₄) in den hydrothermalen Quellen gebildet. Die organische Synthese in hydrothermalen Quellen ist für die Entstehung des Lebens relevant, da die Reaktionen eine anhaltende Energiefreisetzung beinhalten, die auf dem Ungleichgewicht zwischen CO₂ und den riesigen Mengen an molekularem Wasserstoff H₂ beruht. Wasserstoff war eine Quelle für Elektronen und Energie, seit es auf der frühen Erde flüssiges Wasser gab, und er versorgte frühe anaerobe Ökosysteme in der Erdkruste. Einer der ältesten und der einzige Energie freisetzende Weg der CO₂-Fixierung in lebenden Zellen, ist der Acetyl-CoA-Weg. Er macht den Hauptteil des Energiestoffwechsels von Acetogenen und Methanogenen aus, alte anaerobe autotrophe Mikroben, die von H₂ und CO₂ über den Acetyl-CoA-Weg leben und die noch heute die Erdkruste bewohnen. Wie in Hydrothermalquellen stammen auch hier die verwendeten Elektronen und die erzeugte Energie aus H₂. Während in Hydrothermalquellen Mineralien die Reaktionen katalysieren, sind es bei den modernen mikrobiellen Reaktionen Enzyme (Eiweiße). Der Acetyl-CoA-Weg liefert drei Schlüsselvoraussetzungen für das Leben: reduzierter Kohlenstoff, Elektronen und Ionengradienten zur Energiespeicherung. Der Weg ist linear, nicht zyklisch, er setzt Energie frei, anstatt Energiezufuhr zu erfordern, und seine Enzyme sind voll von ursprünglichen Metall-Kofaktoren. Der Acetyl-CoA-Weg geht auf den letzten universellen gemeinsamen Vorfahren LUCA zurück und abiotische, geochemische und organische Synthesen, die Abschnitten des Stoffwechselweges ähneln, finden in modernen Hydrothermalquellen statt.

Obwohl die Enzyme, die diese modernen mikrobiellen Reaktionen katalysieren, umfassend untersucht wurden, sind die Katalysatoren, die abiotische Reaktionen in heutigen Hydrothermalquellen fördern und die am Ursprung des Lebens beteiligt gewesen sein könnten, kaum bekannt. Ein vollständig abiotisches Analogon des Acetyl-CoA-Stoffwechselwegs aus H₂ und CO₂, wie es im Leben vorkommt, wurde bisher nicht beschrieben. Um die Mechanismen hydrothermaler Stoffwechselreaktionen zu untersuchen, die ursprüngliche Stoffwechselwege nachbilden, untersuchten wir am Institut für Molekulare Evolution drei verschiedene Eisenminerale, die natürlicherweise in hydrothermalen Systemen vorkommen, auf ihre Fähigkeit Stoffwechselreaktionen katalysieren zu können: Greigit (Fe₃S₄), Magnetit (Fe₃O₄) und die Nickel-Eisen-Legierung Awaruit (Ni₃Fe).

MAGNETIT: Magnetit (Fe₃O₄) ist wie molekularer Wasserstoff ein Hauptendprodukt der Serpentinisierung, das durch wasserabhängige Oxidation von Eisen(II)-Silikaten entsteht. In der chemischen Industrie sind Materialien auf Eisenbasis die Katalysatoren der Wahl für verschiedene industrielle Prozesse, einschließlich Haber-Bosch-Verfahren (Fixierung von N₂) und Fischer-Tropsch-Synthese (CO und H₂) zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen. Magnetit und Awaruit sind übliche Bestandteile von Serpentinisierungssystemen und unter alkalischen Bedingungen stabiler als Greigit.

GREIGIT: Greigit (Fe₃S₄) wird unter Bedingungen hoher H₂S-Aktivität als vorübergehendes Zwischenprodukt bei der Umwandlung von Mackinawit in Pyrit gebildet. Es hat strukturelle Ähnlichkeit mit den Eisen-Schwefel-Clustern vieler moderner Enzyme. Eisensulfide können an der Oberfläche hydrothermaler Quellen entweder als kleine Kompartimente oder als Nanopartikel im hydrothermalen Ausstrom sowie in Meteoriten gefunden werden. Hier werden gemahlene Greigite gezeigt. Eisenmineralien gelten seit langem als uralte Katalysatoren, obwohl die entscheidende Anfangsreaktion, die die anorganische und die organische Welt verbindet – die CO₂-Fixierung mit H₂ als Reduktionsmittel – unter Verwendung von Eisenmineralkatalysatoren unter biologisch relevanten Bedingungen nicht beschrieben wurde.

AWARUIT: Awaruit (Ni₃Fe) ist eine intermetallische Verbindung, die sich in Serpentinisierungssystemen bei hohen H₂-Partialdrücken durch die Reduktion von Eisen(II)- und Nickel(II)-Verbindungen bildet. Awaruit ist in nickelhaltigen Serpentinisierungssystemen zu finden, wo es als kleine Körner abgeschieden wird. Hier werden gemahlene Awaruite gezeigt.

Die geochemischen Reaktionen in Hydrothermalquellen weisen eine hohe Ähnlichkeit mit Stoffwechselreaktion der ursprünglichsten Mikroben auf der Erde auf. Am Ursprung des Stoffwechsels und somit des Lebens könnte die CO₂-Fixierung durch hydrothermales H₂ in serpentinisierenden Systemen biotischen Pfaden vorangegangen sein. Können Mineralien der Hydrothermalquellen daher auch biologische Stoffwechselreaktionen und die Reaktion zwischen CO₂ und H₂ katalysieren? Dieser Frage gehen wir am Institut für Molekulare Evolution nach.

In Versuchen in Edelstahlreaktoren werden Bedingungen, wie sie an alkalischen Hydrothermalquellen herrschen, simuliert. Es können hohe Drücke und Temperaturen eingestellt und kontrolliert werden. In den Reaktor werden die Stoffe gegeben, die auf der noch unbelebten Erde zur Verfügung standen: Wasser, Mineralien aus Nickel, Eisen und Schwefel und Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Diese Gase werden über Schläuche nach Schließen des Deckels eingeleitet. So wird ein hoher Druck im Inneren des Edelstahlreaktors erzeugt. Wasser und Mineralien befinden sich innerhalb des Edelstahlreaktors in kleinen Glasgefäßen, die in einem Zylinder aus Teflon stehen. So wird verhindert, dass die Proben Kontakt mit dem Edelstahl des Hochdruck-Reaktors haben, der u.a. Eisen beinhaltet. Nach Gaszufuhr wird der Hochdruck-Reaktor kontinuierlich über eine Heizplatte auf 100 °C erhitzt und einige Stunden bis Tage stehen gelassen. Als Mineralien dienen Greigit, Magnetit und Awaruit, die mit einer Kugelmühle zu einem sehr, sehr feinen Pulver zermahlen wurden, oder die synthetisch hergestellt wurden. Obwohl sie in ihrer Struktur und Zusammensetzung sehr unterschiedlich sind, werden Greigit, Magnetit und Awaruit geochemisch in hydrothermalen Systemen aus bereits vorhandenem zweiwertigem Eisen und Nickel synthetisiert. Nach Ende der gewählten Inkubationszeiten wurde der Reaktor nach Abkühlung und Ablassen des Drucks geöffnet und die Proben auf ihre Inhaltsstoffe untersucht.

HOCHDRUCK-REAKTOR: In solchen Hochdruck-Reaktoren und Glasgefäßen finden die Reaktionen statt. Durch die Glasgefäße sind die Inhaltsstoffe vor dem Kontakt mit der Oberfläche des Reaktors geschützt.

Der US-Amerikaner Stanley L. Miller (1930–2007) war der erste Wissenschaftler, der experimentell den Ursprung des Lebens nachstellte. 1953 entlud er zahlreiche Blitze in eine Mischung, die dem Zustand der jungen Erde entsprach. Miller produzierte einfache Biomoleküle wie Aminosäuren, aber wichtige Komponenten für die Entwicklung komplexerer Moleküle fehlten. Diese Lücke möchten William F. Martin und sein Team mit ihren Experimenten schließen. In den Versuchen werden Edelstahlreaktoren verwendet. Ein solcher ist unten auf der Abbildung zu sehen. Die Reaktoren sind der Schlüssel zur Tür zurück zu den Anfängen des Lebens auf der Erde. In den Reaktoren werden Bedingungen, wie sie an alkalischen Hydrothermalquellen herrschen, simuliert. Es können hohe Drücke und Temperaturen eingestellt und kontrolliert werden. In den Reaktor werden die Stoffe gegeben, die auf der noch unbelebten Erde zur Verfügung standen: Wasser, Mineralien aus Nickel und Eisen und Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden über Schläuche nach Schließen des Deckels eingeleitet. So wird ein hoher Druck erzeugt. Dann wird der Hochdruck-Reaktor über eine Heizplatte erhitzt. So bleibt der Hochdruck-Reaktor dann einige Stunden bis Tage stehen. Im Anschluss werden die Reaktionsprodukte analysiert. Sie sollen die Antwort auf die Frage liefern, wie und wo die ersten Lebewesen gelebt haben und wie das Leben entstanden ist. Welche Ergebnisse die Versuche in den Hochdruck-Reaktoren liefern und welche Schlüsse daraus gezogen werden können, ist im weiteren Verlauf beschrieben.

VERSUCHSAUFBAU: In Hochdruck-Reaktoren aus Edelstahl werden im Institut für Molekulare Evolution an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Bedingungen, wie sie an Hydrothermalquellen herrschen, simuliert. Es werden Drücke und Temperaturen reguliert. In den Reaktor werden kleine Glasgefäße gegeben, die Wasser und Mineralien aus Nickel, Eisen und Schwefel enthalten. Die Gase Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden von außen in den Hochdruck-Reaktor eingeleitet bis der gewünschte Druck erreicht ist. Am Ende der Reaktionszeit werden die entstandenen Gase über eine Gaschromatographie und die in den Glasgefäßen entstandenen Produkte über eine NMR-Methode identifiziert.

KOHLENSTOFFDIOXID: Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid (CO₂) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff (schwarze Kugel) und Sauerstoff (rote Kugeln). CO₂ ist ein elementarer Bestandteil des globalen Kohlenstoffzyklus, ein natürlicher Bestandteil der Luft und ein wichtiges Treibhausgas in der Erdatmosphäre. Die Fixierung von CO₂ zum Aufbau von organischen Kohlenstoffverbindungen ist Voraussetzung von Leben.

WASSERSTOFF: Wasserstoff ist das kleinste und häufigste chemische Element des Universums mit dem Symbol H. Anders als auf der Sonne, dem Saturn oder Jupiter kommt das farb- und geruchslose Gas auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor. Es steckt in Wasser, in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl sowie in über der Hälfte aller bekannten Mineralien. In Hydrothermalquellen wird molekularer Wasserstoff (H₂, weiße Kugeln) beim geologischen Prozess der Serpentinisierung gebildet. Wasserstoff ist ein Energieträger, der Energie speichern und transportieren kann. Die ersten Zeppeline wurden mit Wasserstoff gefüllt. Nach dem Unglück der Hindenburg im Jahr 1937, bei dem sich die Wasserstofffüllung entzündete, wurde die Befüllung mit Wasserstoff jedoch eingestellt.

Aufbauend auf Beweisen für katalytische Reaktivität der Mineralien, die in der Erdkruste an Hydrothermalquellen zu finden sind, untersuchten wir am Institut für Molekulare Evolution die Fähigkeit der Mineralien Greigit, Magnetit und Awaruit, die Reduktion von CO₂ mit H₂ in Wasser zu fördern. Und somit die ersten Bausteine des Lebens zu synthetisieren: Kohlenstoffverbindungen. Im Labor wurden in einem Edelstahl-Hochdruck-Reaktor sehr milde hydrothermale Bedingungen simuliert: 100 °C und ein Druck von 24 bar in einem Gasgemisch aus H₂ und CO₂ (80:20). Darin wurden Wasser und verschiedene Mineralien (Greigit, Magnetit und Awaruit) inkubiert. Nach Ende der Inkubation nach einem bis mehreren Tagen zeigte die Analyse der Syntheseprodukte, dass in Gegenwart von Greigit (Fe₃S₄) eine Synthese der kurzkettigen Kohlenstoffverbindungen Formiat (Ameisensäure) und Acetat aus H₂ und CO₂ in nahezu neutraler und alkalischer wässriger Lösung sattgefunden hatte. In den Proben mit Magnetit (Fe₃O₄) wurden ebenfalls Formiat, Acetat, Pyruvat (Brenztraubensäure) und Methanol nachgewiesen ebenso in den Awaruit (Fe₃S₄)-Proben. Ohne die Mineralien wurden keine Produkte erhalten. Was wir sehen, ist, dass sich der uralte Kern des mikrobiellen Kohlenstoff- und Energiestoffwechsels spontan vor unseren Augen entfaltet, über Nacht bei 100 °C in einer simulierten hydrothermalen Quelle auf dem Labortisch. Vielleicht sind die Reaktionen des zentralen Stoffwechsels natürlicher als man denkt.

Jedes Mineral hat eine spezifische Eigenschaft, die zu einer unterschiedlichen Wechselwirkung zwischen Ausgangsstoffen und gebildeten Stoffen führt. Nickel ist beispielsweise ein guter Katalysator für die Bildung von Formiat, während Awaruite, die aus Nickel und Eisen bestehen, der bessere Katalysator für die Synthese von Pyruvat sind. Daher reagiert jedes Metall an seiner Oberfläche anders. Somit ist eine Umgebung mit einer Mischung aus verschiedenen nativen Metallen und viel molekularem Wasserstoff – die alkalischen Hydrothermalquellen – ein guter Ort für die Synthese einiger der ältesten präbiotischen Moleküle und somit für die Bausteine des Lebens.

FORMIAT (AMEISENSÄURE): Formiate sind die Salze der Ameisensäure. Der Name leitet sich vom lateinischen Wort für Ameise ab (lat. Acidum formicum von formica ‚Ameise‘). Die Ameisensäure ist eine farblose, ätzende und in Wasser lösliche Flüssigkeit. Es handelt sich um kurzkettige Kohlenwasserstoffe mit einem Kohlenstoffatom (C1; schwarze Kugel), zwei Sauerstoffatomen (rote Kugeln) und zwei Wasserstoffatomen (weiße Kugeln).

ACETAT: Acetate sind die Salze der Essigsäure. Die Salze sind zumeist farblose, kristalline Feststoffe, die im Wasser löslich sind. Es handelt sich um kurzkettige Kohlenwasserstoffe mit zwei Kohlenstoffatomen (C2; schwarze Kugeln), zwei Sauerstoffatomen (rote Kugeln) und vier Wasserstoffatomen (weiße Kugeln).

PYRUVAT: Pyruvate sind die Salze der Brenztraubensäure. Pyruvat ist ein wichtiges Zwischenprodukt im aeroben und anaeroben Stoffwechsel aller Lebewesen. Es handelt sich um kurzkettige Kohlenwasserstoffe mit drei Kohlenstoffatomen (C3, schwarze Kugeln), zwei Sauerstoffatomen (rote Kugeln) und drei Wasserstoffatomen (weiße Kugeln).

METHANOL: Methanol ist der einfachste Vertreter der Alkohole. Methanol ist eine klare, farblose, entzündliche und leicht flüchtige Flüssigkeit mit alkoholischem Geruch. Es handelt sich um einen kurzkettigen Kohlenwasserstoff mit einem Kohlenstoffatom (C1; schwarze Kugel), einem Sauerstoffatom (rote Kugel) und vier Wasserstoffatomen (weiße Kugeln).

Die in den Versuchen nachgewiesenen Produkte sind identisch mit den Zwischenprodukten und Produkten des Acetyl-CoA-Stoffwechselwegs, dem ältesten CO₂-Fixierungsweg und dem Rückgrat des Kohlenstoff-Stoffwechsels in H₂-abhängigen autotrophen Mikroben (Acetogene und Methanogene). Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die Mineralien die Bildung der Bausteine des Lebens (Kohlenstoffverbindungen) ohne organische Katalysatoren katalysieren können. Was gut mit Theorien über einen autotrophen Ursprung des mikrobiellen Metabolismus unter hydrothermalen Bedingungen übereinstimmt. Dies impliziert Acetogene und Methanogene, als sehr primitive mikrobielle Abstammungslinien. Was mit frühen Vorhersagen aus der Physiologie und mit Vorhersagen, die auf Ähnlichkeiten zwischen geochemischen und biochemischen Reaktionen basieren, übereinstimmt. Das Leben könnte an alkalischen Hydrothermalquellen entstanden sein.

Das Institut für Molekulare Evolution der HHU analysiert in Hochdruck-Reaktoren die Fähigkeit der Mineralien Greigit, Magnetit und Awaruit, die Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit Waserstoff in Wasser zu fördern und somit die ersten Bausteine des Lebens zu synthetisieren: Kohlenstoffverbindungen. Im Labor können Formiat, Methanol und Acetat aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff mit Mineralien als Katalysatoren synthetisiert werden. Dies zeigt Parallelen zu einem der ältesten und einzigen energiefreisetzenden Wege der CO₂-Fixierung in lebenden Zellen auf: dem Acetyl-CoA-Weg. Er macht den Hauptteil des Energiestoffwechsels von ursprünglichen Mikroben aus, die von H₂ und CO₂ leben und die noch heute die Erdkruste bewohnen. Hier stammen die verwendeten Elektronen und die erzeugte Energie aus H₂. Bei den Mikroben sind es Enzyme (Eiweiße), die die Reaktionen katalysieren. Im Hochdruck-Reaktor im Labor katalysieren Mineralien aus Gestein unterhalb der Hydrothermalquellen die Reaktionen. Dies impliziert, dass die Biochemie der Mikroben aus der Geochemie an Hydrothermalquellen hervorgegangen sein könnte. Die Abbildung links zeigt schematisch den Acetyl-CoA-Weg wie er im Energiestoffwechsel ursprünglicher Mikroben abläuft. Katalysiert werden die Reaktionen durch Enzyme (Eiweiße). Rechts sind die Produkte dargestellt (lila), die aus den Ausgangsstoffen (Edukte; gelb) im Labor mit Mineralien als Katalysatoren synthetisiert werden können.

Durch unsere Versuche am Instituts für Molekulare Evolution konnte bekräftigt werden, dass der Stoffwechsel aus geologischen Reaktionen an Hydrothermalquellen hervorgegangen zu sein scheint. Wenn das Leben auf der Erde in geochemischen Umgebungen wie hydrothermalen Quellen begann, dann begann es mit Gasen wie CO₂ und H₂. Noch heute leben anaerobe Autotrophe von diesen Gasen, und sie bewohnen noch immer die Erdkruste. Bei der Suche nach Zusammenhängen zwischen abiotischen Prozessen in alten geologischen Systemen und biotischen Prozessen in biologischen Systemen wird deutlich, dass die chemische Aktivierung (Katalyse) dieser Gase und eine konstante Energiequelle entscheidend sind. Die durch die Versuche des Instituts für Molekulare Evolution identifizierten geochemischen Katalysatoren, die diese Gase auf dem Weg zu organischen Verbindungen und kleinen autokatalytischen Netzwerken aktivieren, sind ein wichtiger Schritt zum Verständnis der präbiotischen Chemie, die nur auf der Basis chemischer Energie arbeitet ohne den Eintrag von Sonnenstrahlung. Wenn also Leben in den dunklen Tiefen hydrothermaler Quellen entstanden ist, dann ist das Verständnis von Reaktionen und Katalysatoren, die unter solchen Bedingungen ablaufen, entscheidend für das Verständnis der Ursprünge.

Alles Leben, alle Zellen bestehen aus der gleichen Materie. Zellen funktionieren, weil sie ein Netzwerk von ungefähr 1.000 Reaktionen haben, die die Bausteine des Lebens liefern und organisieren. Zellen bilden autokatalytische Netze von Molekülen, die Kopien von sich selbst produzieren. Wie die ersten sich selbst erhaltenden Stoffwechsel-Netzwerke am Ursprung des Lebens entstanden, ist eine große offene Frage. Autokatalytische Gruppen, die kleiner als metabolische Netzwerke sind, wurden als vorübergehende Zwischenstufen am Ursprung des Lebens vorgeschlagen. Das Institut für Molekulare Evolution konnte im mikrobiellen Stoffwechsel selbsterhaltende Netzwerke, die alle ihre Reaktionen kollektiv katalysieren, nachweisen. Diese autokatalytischen Netzwerke lassen sich im Stoffwechsel ursprünglicher anaerober Autotrophen finden. Sie decken Zwischenstadien bei der Entstehung von Stoffwechsel-Netzwerken auf und schließen die Lücken zwischen der Chemie der frühen Erde und dem Leben.

AUTOKATALYTISCHES NETZWERK: Sich selbsterhaltenes, autokatalytisches Netzwerk am Ursprung des letzten gemeinsamen Urvorfahren (LUCA), rekonstruiert durch einen bioinformatischen Netzwerkalgorithmus. Als Ausgangsmoleküle dienen anorganische Komponenten, welche durch die Ur-Umgebung auf der frühen Erde zur Verfügung gestellt werden, u. a. Wasser, Wasserstoff, Protonen, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid, Phosphate, Ammoniak und Metalle. Der Algorithmus beginnt mit einem globalen Netzwerk bestehend aus allen verfügbaren Reaktionen, aus welchem eine Reaktion nach der anderen entfernt wird. Nach jedem Schritt wird geprüft, ob das Netzwerk weiterhin in sich geschlossen und im Stande ist, alle enthaltenen Komponenten aus den Ausgangsmolekülen zu bilden. Der Algorithmus endet, wenn keine weitere Reaktion gelöscht werden kann. Ausgehend von den zwei autokatalytischen Reaktionsnetzwerken des acetogenen Organismus "Moorella thermoacetica" und des methanogenen Organismus "Methanococcus maripaludis" wurde aus deren Schnittmenge ein sich selbsterhaltendes Ur-Netzwerk aus 172 Reaktionen generiert welches in der Lage ist, Aminosäuren, Nukleoside und Acetyl-CoA herzustellen. Abbildung aus: Xavier JC, Hordijk W, Kauffman S, Steel M, Martin WF: Autocatalytic chemical networks at the origin of metabolism. Proc R Soc B 287:20192377 (2020).

Die Forschung zu alkalischen Hydrothermalquellen und die Forschung zum Ursprung des Lebens haben gezeigt, dass das Leben an einem Ort entstanden sein muss, der ohne Sonnenlicht, ohne Sauerstoff, nicht zu heiß, mineralreich, alkalisch und voller Gase (H₂, CO₂, N₂) gewesen sein muss. Der letzte gemeinsame Vorfahre war anaerob, CO₂-fixierend, H₂-abhängig, N₂-fixierend und wärmeliebend (thermophil). Der Stoffwechsel der Zellen enthält noch heute Beweise, die den Prozess widerspiegeln, durch den sie entstanden sind. Die chemolithoautotrophe Lebensweise – die Umwandlung von anorganischem Kohlenstoff in Zellmasse mit anorganischen Elektronenspendern unter Verwendung von chemischer Energie anstelle von Licht – ist unter modernen Mikroben verbreitet, die ähnliche Umgebungen wie auf der frühen Erde bewohnen. Dies impliziert Acetogene und Methanogene als sehr primitive mikrobielle Abstammungslinien in Übereinstimmung mit frühen Vorhersagen aus der Physiologie und mit Vorhersagen, die auf Ähnlichkeiten zwischen geochemischen und biochemischen Reaktionen beruhen. Es stimmt auch mit der Identifizierung überlappender autokatalytischer Netzwerke im Metabolismus von Acetogenen und Methanogenen überein, die eine Rolle für niedermolekulare Reaktionssysteme vor dem Aufkommen von Protein und RNA implizieren.

Alle uns bekannten Lebensformen verwenden Proteine aus Aminosäuren, Nukleinsäuren aus Purinen, Pyrimidine, Zucker und Phosphat. Das bedeutet, dass die ersten Lebensformen, von denen alle modernen Formen abstammen, diese Kernchemie zusätzlich zum universellen genetischen Code hatten. Aber wie viele Reaktionen werden für die Synthese der Zellbausteine und der zu ihrer Herstellung benötigten Cofaktoren benötigt? Wie sah die Natur der frühen Zellen aus? Dies ergibt einen Eindruck davon, wie herausfordernd es wäre, die Hauptbestandteile des Lebens am Ursprung herzustellen, mit oder ohne Enzyme. Eine bioinformatische Analyse des Instituts für Molekulare Evolution beantwortete die Fragen. Es sind 402 Reaktionen im ursprünglichen Stoffwechsel zu finden, der H₂, CO₂ und NH₃ in Aminosäuren, Basen und Cofaktoren umwandelt. Der Kern stellt eine Sammlung von Reaktionen dar, die die Synthese von RNA und Proteinen unterstützen. Er war in den ersten Zellen vorhanden, aber er kann kaum auf einmal entstanden sein. Die Hochdruck-Reaktor-Versuche weisen darauf hin, dass der Kern selbst wahrscheinlich von H₂ und CO₂ ausging und von Pyruvat aus nach außen wuchs, während Stickstoff aus NH₃ eingebaut wurde. Wie komplex der Kern vor der Entstehung von Enzymen geworden sein könnte, ist eine Frage für zukünftige Studien.

BIOSYNTHETISCHER GRUNDSTOFFWECHSEL DES LETZTEN GEMEINSAMEN URVORFAHREN: Für die Konstruktion eines biosynthetischen Reaktionsnetzwerkes wurden jene biochemischen Reaktionen zusammengetragen, welche im autotrophen Grundstoffwechsel moderner Prokaryoten benötigt werden, um die Grundbausteine des Lebens zu bilden: Die 20 Aminosäuren, vier Nukleoside, vier Desoxyribonukleoside und 18 Cofaktoren. Die Reaktionen gehen von den Metaboliten H₂, CO₂ und NH₃, sowie Schwefelwasserstoff (H₂S) und Phosphat (Pi) aus. Diese Komponenten waren vermutlich bereits im frühen Erdzeitalter in Hydrothermalquellen verfügbar. Das resultierende Reaktionsnetzwerk umfasst 402 metabolische Reaktionen, welche durch ihre Konservierung Rückschlüsse auf den letzten gemeinsamen Vorfahren aller Lebewesen (LUCA) zulassen. Eine thermodynamische Untersuchung dieser Reaktionen unter Hydrothermalbedingungen zeigt, dass 95–97 % exergon sind (ΔG ≤ 0 kJ·mol–1). Das heißt, Energie freisetzen und somit spontan ablaufen. Der Grundstoffwechsel von LUCA zeigt somit eine natürliche Tendenz sich von selbst zu entfalten, energetisch angetrieben von dem in Hydrothermalquellen produzierten H₂. Abbildung aus: Wimmer JLE, do Nascimento Vieira A, Xavier JC, Kleinermanns K, Martin WF, Preiner M: The autotrophic core: An ancient network of 404 reactions converts H₂, CO₂, and NH₃ into amino acids, bases, and cofactors. Microorganisms 9: 458 (2021).

Abschließende Worte

An Tiefsee-Hydrothermalquellen gedeihen ganze Ökosysteme in völliger Finsternis. Am Anfang ihrer Nahrungskette steht daher nicht die Sonne: Es sind chemische Energieträger wie molekularer Wasserstoff, die aus dem Erdinneren strömen. Seit ihrer Entdeckung werden Hydrothermalquellen im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens diskutiert, weil die Erde dort chemische Energie spendet. Die chemischen Bedingungen dort sind für die Umwandlung von CO₂ in organische Substanzen – die Bausteine des Lebens – förderlich. In Hydrothermalquellen ist molekularer Wasserstoff (H₂) der Schlüssel zu Redoxreaktionen, Katalysatorsynthesen und der Bildung von Ionengradienten.

Wie in Hydrothermalquellen stammen auch die im Energiestoffwechsel ursprünglicher anaerober autotropher Mikroben (Acetogene und Methanogene) verwendeten Elektronen und die erzeugte Energie aus H₂. Den Hauptteil ihres Energiestoffwechsels macht der Acetyl-CoA-Weg aus, einer der ältesten und der einzige Energie freisetzende Weg der CO₂-Fixierung in lebenden Zellen. Durch Simulationen von hydrothermalen Bedingungen im Labor konnten wir am Institut für Molekulare Evolution Produkte generieren, die identisch mit den Zwischenprodukten und Produkten des Acetyl-CoA-Stoffwechselwegs sind. Während in Hydrothermalquellen Mineralien die Reaktionen katalysieren, sind es bei den modernen mikrobiellen Reaktionen Enzyme (Eiweiße). Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die Mineralien in Hydrothermalquellen die Bildung der Bausteine des Lebens (Kohlenstoffverbindungen) ohne organische Katalysatoren katalysieren können. Was gut mit Theorien über einen autotrophen Ursprung des mikrobiellen Stoffwechsels unter hydrothermalen Bedingungen übereinstimmt. Dies impliziert Acetogene und Methanogene, als sehr ursprüngliche mikrobielle Abstammungslinien und geht mit frühen Vorhersagen aus der Physiologie und mit Vorhersagen, die auf Ähnlichkeiten zwischen geochemischen und biochemischen Reaktionen basieren, einher.

Das Leben könnte an alkalischen Hydrothermalquellen entstanden sein. Aber der letzte und entscheidende Schritt – der Übergang zur freilebenden Zelle – setzte voraus, dass die Reduktion von CO₂ mit Elektronen aus H₂ mit dem Aufbau eines eigenständigen, selbst erzeugten Protonengradienten gekoppelt wurde. Diejenigen Urzellen, die das geschafft haben, konnten ihrem geochemischen Brutkasten entkommen, und der Zugang zur Evolution als freilebende Zellen wäre geschafft gewesen. Demnach wären die ersten Lebewesen hinsichtlich Größe und Form von modernen Prokaryoten kaum verschieden und ihrem biochemischen Wesen nach den acetogenen Bakterien und den methanogenen Archaeen ähnlich gewesen.

Wir bedanken uns für Ihr Interesse an unserer virtuellen Ausstellung zum Ursprung des Lebens und hoffen, dass wir unsere Begeisterung für das Thema und die Forschung mit Ihnen teilen konnten.