Ursuppe: Einfacher Weg zur DNA?

Frühe Wurzeln: Das Erbmolekül DNA könnte in der „Ursuppe“ deutlich früher entstanden sein als bislang angenommen. Denn Forscher haben nun einen Reaktionsweg entdeckt, durch den dieses Erbmolekül auch ohne die Mithilfe von Enzymen gebildet wird. Der Übergang von einer primordialen „RNA-Welt“ zur DNA als dem dominierenden Träger der Erbinformation könnte sich dadurch rund 400 Millionen Jahre früher ereignet haben, so die Forscher.

Wie und wann entstand das erste Leben? Diese Frage ist bis heute nicht eindeutig beantwortet. So könnten Blitze, Kometen oder auch spezielle Lebensräume die Urheber der ersten Lebensmoleküle gewesen sein. Zudem könnte sich vor dem heute vorherrschenden Erbmolekül DNA zunächst RNA-basiertes Leben entwickelt haben. Denn während die DNA spezielle Enzyme für ihren Aufbau benötigt, übernimmt dies bei der RNA das Erbmolekül selbst mithilfe seiner Bausteine, der Ribozyme.

Das Problem der Kopplung von Zucker und Base

Doch nun liefern Forscher ein Gegenargument zu dieser Vorstellung einer RNA-Welt. Denn Oliver Trapp von der Ludwig-Maximilians-Universität München und sein Team haben herausgefunden, dass DNA auch ohne die Mitwirkung komplexer Enzyme entstehen kann. „Wir haben einen durchgängigen Reaktionsweg gefunden, durch den DNA-Nukleoside aus einfachen, präbiotisch verfügbaren Molekülen entstehen können“, erklären die Forscher.

Grundsätzlich bestehen DNA-Bausteine aus einer Nukleobase und einem Zucker, der Desoxyribose. Für die Kopplung dieser beiden Moleküle ist nach gängiger Annahme ein Enzym nötig. Doch dieses ist entbehrlich, wenn der Zucker nicht in fertigem Zustand an die Nukleobase koppelt, sondern in wenigen Reaktionsschritten an ihr aufgebaut wird, wie Trapp und sein Team experimentell belegen.

Einfache Reaktion unter „normalen“ Bedingungen

Nötig für diesen entscheidenden Schritt zum DNA-Gerüst sind dabei vergleichsweise „normale“ Bedingungen – komplizierte Wechsel der Temperatur und anderer Reaktionsbedingungen seien nicht nötig, so die Forscher. Stattdessen reichten in den Experimenten Wasser, ein leicht alkalisches Milieu und realistische Temperaturen zwischen 40 und 70 Grad Celsius aus, um die Reaktion in Gang zu bringen.

„Die Desoxyribnonukleoside werden unter diesen Bedingungen aus allen kanonischen Purin- und Pyrimidinbasen durch Kondensation mit Acetaldehyd und zuckerbildenden Vorläufersubstenzen wie Formaldehyd, Glycoaldehyd und Glyceraldehyd gebildet“, berichten Trapp und sein Team. Im Experiment waren die Synthesegeschwindigkeiten und die Ausbeute ausreichend, um die Produkte mit hoher Selektivität in der richtigen räumlichen Anordnung entstehen zu lassen.

DNA 400 Millionen Jahre früher als gedacht?

Nach Ansicht der Forscher wirft dies ein neue Licht auf die Geschehnisse in der „Ursuppe“: „Unsere Ergebnisse erlauben uns den Schluss, dass die DNA-Welt sich weit früher entwickelte als bislang angenommen““, sagen Trapp und seine Kollegen. Schon vor knapp vier Milliarden Jahren könnte es demnach die ersten DNA-Moleküle parallel zur RNA gegeben haben – rund 400 Millionen Jahre früher als bisher gedacht. (Angewandte Chemie, 2019; doi: 10.1002/anie.201903400)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München