Ursprung des Lebens: Forscher entdecken vergessene Chemie
Der Ursprung des Lebens auf der Erde bleibt ein wissenschaftliches Rätsel. Eine zentrale Frage ist, wie viel von der Geschichte des Lebens im Laufe der Zeit verloren gegangen ist. Eine Spezies kann aufhören, eine biochemische Reaktion zu nutzen, und wenn dies bei mehreren Arten geschieht, können diese Reaktionen "vergessen" werden.
Forscher des Earth-Life Science Institute (ELSI) am Tokyo Institute of Technology und des California Institute of Technology (CalTech) haben diese Frage untersucht. Sie nahmen an, dass die vergessene Chemie als Diskontinuitäten im Weg von einfachen geochemischen Molekülen zu komplexen biologischen Molekülen erscheinen würde.
Die frühe Erde enthielt einfache Verbindungen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid. Vor mehreren Milliarden Jahren nutzte das primitive Leben diese Moleküle als Rohstoffe. Im Laufe der Zeit verwandelten biochemische Prozesse diese Vorläufer in Verbindungen, die auch heute noch vorhanden sind und die ersten Stoffwechselwege darstellen.
Um die Geschichte der Biochemie zu modellieren, verwendeten die Forscher des ELSI und CalTech die Datenbank Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, die mehr als 12.000 biochemische Reaktionen katalogisiert. Sie begannen, die allmähliche Entwicklung des Stoffwechsels zu modellieren.
Frühere Versuche, die Evolution des Stoffwechsels zu modellieren, waren nicht in der Lage, die häufigsten komplexen Moleküle des heutigen Lebens zu produzieren. Die Forscher stellten fest, dass nur wenige Moleküle produziert werden konnten. Um dieses Problem zu umgehen, bestimmten sie die Anzahl der fehlenden Reaktionen. Ihre Forschung führte sie zu Adenosintriphosphat (ATP), einem entscheidenden Molekül in der Biochemie.
ATP ist die Energiewährung der Zellen. Die Reaktionen, die ATP bilden, erfordern jedoch selbst ATP, was eine zyklische Abhängigkeit schafft. Um dieses Problem zu lösen, erlaubten die Forscher den ATP-produzierenden Reaktionen, Polyphosphat anstelle von ATP zu verwenden und änderten dabei insgesamt nur acht Reaktionen. Dies ermöglichte fast den gesamten zeitgenössischen zentralen Stoffwechsel.
Die Forscher konnten so das relative Alter gängiger Metaboliten schätzen und gezielte Fragen zur Geschichte der Stoffwechselwege stellen. Sie entdeckten, dass biologische Pfade sich linear oder mosaikartig bilden können.
Diese Forschung zeigt, dass selbst verschwundene biochemische Reaktionen anhand der von der modernen Biochemie hinterlassenen Hinweise wiederentdeckt werden können.