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Wissenschaftler haben eine Milliarden Jahre alte Sage entdeckt, die sich mit der Chemie des Lebens befasst

Der Stoffwechsel ist das „schlagende Herz der Zelle“. Neue Forschungen von ELSI zeichnen die Geschichte des Stoffwechsels von der Urerde bis zur Neuzeit nach (von links nach rechts). Der Verlauf der Substanzerkennung im Laufe der Zeit (weiße Linie) verläuft zyklisch, fast wie ein Elektrokardiogramm. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center/Francis Ready/NASA/ESA

Der Ursprung des Lebens auf der Erde war lange Zeit ein Rätsel, das Wissenschaftlern entgangen ist. Die Hauptfrage lautet: Wie viel von der Geschichte des Lebens auf der Erde ist im Laufe der Zeit verloren gegangen? Es kommt sehr häufig vor, dass eine einzelne Art die Nutzung einer biochemischen Reaktion „auslaufen“ lässt, und wenn dies bei genügend Arten geschieht, können diese Reaktionen vom Leben auf der Erde praktisch „vergessen“ werden.

Aber gibt es eine Möglichkeit, das herauszufinden, wenn die Geschichte der Biochemie voller vergessener Reaktionen ist? Diese Frage inspirierte Forscher des Earth Life Sciences Institute (ELSI) am Tokyo Institute of Technology und des California Institute of Technology (CalTech) in den Vereinigten Staaten. Sie glaubten, dass vergessene Chemie als Diskontinuitäten oder „Brüche“ auf dem Weg der Chemie von einfachen geochemischen Molekülen zu komplexen biologischen Molekülen auftreten würde.

Die frühe Erde war reich an einfachen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid, Molekülen, die normalerweise nicht mit der Erhaltung des Lebens in Verbindung gebracht werden. Doch vor Milliarden von Jahren war das frühe Leben auf diese einfachen Moleküle als Rohstoffquelle angewiesen. Im Laufe der Lebensentwicklung wandelten biochemische Prozesse diese Vorläufer nach und nach in Verbindungen um, die noch heute existieren. Diese Prozesse stellen die ältesten Stoffwechselwege dar.

Um die Geschichte der Biochemie zu modellieren, haben die ELSI-Forscher – der speziell ernannte außerordentliche Professor Harrison P. Smith und der speziell ernannte außerordentliche Professor Liam M. Longo und außerordentlicher Professor Sean Erin McGlynn erstellten in Zusammenarbeit mit dem Forschungswissenschaftler Joshua Goldford vom California Institute of Technology eine Bestandsaufnahme der Biochemie. Alle bekannten biochemischen Reaktionen, um die Arten der Chemie zu verstehen, zu denen das Leben fähig ist.

Sie wandten sich an die Datenbank Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, die mehr als 12.000 biochemische Reaktionen katalogisierte. Mit dem vorliegenden Feedback begannen sie, die schrittweise Entwicklung des Stoffwechsels zu modellieren.

Frühere Versuche, die Evolution des Stoffwechsels auf diese Weise zu modellieren, scheiterten stets daran, die am weitesten verbreiteten und komplexesten Moleküle zu produzieren, die das moderne Leben nutzt. Der Grund war jedoch nicht ganz klar. Als die Forscher ihr Modell erneut durchführten, stellten sie fest, dass nur eine kleine Anzahl von Verbindungen hergestellt werden konnte. Suche ist veröffentlicht Im Magazin Naturökologie und Evolution.

Wissenschaftler haben eine Milliarden Jahre alte Sage entdeckt, die sich mit der Chemie des Lebens befasst

Um ein Modell der Evolutionsgeschichte des Stoffwechsels im Biosphärenmaßstab zu erstellen, stellte das Forschungsteam eine Datenbank mit 12.262 biochemischen Reaktionen aus der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)-Datenbank zusammen. Quelle: Goldford, J.E., Nat Evol Evol (2024)

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, ins Stocken geratene Chemie durch manuelle Zufuhr frischer Verbindungen zu katalysieren. Die Forscher wählten einen anderen Ansatz: Sie wollten ermitteln, wie viele Interaktionen fehlten. Ihre Forschung führte sie zu einem der wichtigsten Moleküle der Biochemie: Adenosintriphosphat (ATP).

ATP ist die Energiewährung der Zelle, da es zur Katalyse von Reaktionen – wie dem Aufbau von Proteinen – verwendet werden kann, die in Wasser nicht stattfinden. Allerdings hat ATP eine einzigartige Eigenschaft: Die Reaktionen, die ATP selbst bilden, erfordern ATP. Mit anderen Worten: Sofern ATP nicht bereits vorhanden ist, gibt es heute im Leben keine andere Möglichkeit, ATP herzustellen. Diese zyklische Abhängigkeit war der Grund, warum das Modell aufhörte.

Wie kann dieser „ATP-Engpass“ gelöst werden? Es stellt sich heraus, dass der reaktive Teil von ATP einer anorganischen Polyphosphatverbindung bemerkenswert ähnlich ist. Indem ATP-erzeugenden Reaktionen ermöglicht wird, Polyphosphat anstelle von ATP zu verwenden – indem insgesamt nur acht Reaktionen modifiziert werden –, kann nahezu der gesamte heutige Grundstoffwechsel erreicht werden. Forscher können dann das relative Alter aller gängigen Metaboliten abschätzen und spezifische Fragen zur Geschichte der Stoffwechselwege stellen.

Eine solche Frage ist, ob biologische Pfade linear aufgebaut sind – eine Reaktion nach der anderen wird nacheinander hinzugefügt – oder ob Pfadinteraktionen als Mosaik erscheinen, in dem Interaktionen sehr unterschiedlichen Alters zusammengefügt werden, um etwas Neues zu bilden . Die Forscher konnten dies messen und fanden heraus, dass beide Arten von Signalwegen in allen Stoffwechselprozessen nahezu gleich häufig vorkommen.

Aber zurück zu der Frage, die diese Studie inspiriert hat: Wie viel Biochemie geht im Laufe der Zeit verloren? „Wir werden es vielleicht nie genau wissen, aber unsere Forschung hat einen wichtigen Hinweis geliefert: Nur acht neue Reaktionen, die alle an gängige biochemische Reaktionen erinnern, sind erforderlich, um die Lücke zwischen Geochemie und Biochemie zu schließen“, sagt Smith.

„Das beweist nicht, dass der Bereich der fehlenden Biochemie klein ist, aber es zeigt, dass selbst ausgestorbene Reaktionen durch die Hinweise, die die moderne Biochemie hinterlassen hat, wiederentdeckt werden können“, schließt Smith.

Mehr Informationen:
Joshua E. Goldford et al. verbindet die ursprüngliche Purinbiosynthese alte Geochemie mit modernem Stoffwechsel, Naturökologie und Evolution (2024). doi: 10.1038/s41559-024-02361-4

Bereitgestellt vom Tokyo Institute of Technology


das Zitat: Wissenschaftler decken Multimilliarden-Jahre-Epos auf, geschrieben in „The Chemistry of Life“ (2024, 28. Mai) Abgerufen am 28. Mai 2024 von https://phys.org/news/2024-05-scientists-uncover-multibillion-year-epic.html

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Magda Franke

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