Auf der Suche nach dem ursprünglichen Ribosom und der Rekonstruktion des Moments, als vor 4 Milliarden Jahren das erste Leben entstand

Der Prozess der Evolution des Lebens auf der Erde ist ein langer Walzer, der von den drei Substanzen DNA, RNA und Protein getanzt wird, aber wir wissen nicht, wie der erste Schritt dieses Walzers vollzogen wurde. Was war zuerst da, die DNA oder das Protein, und wie trägt es zur Evolution bei? Es gibt einen Schlüsselspieler – das primitive Ribosom. Seine Entdeckung könnte uns helfen, den Ursprung des Lebens zu erklären.

Geschrieben von Gu Shuchen

Der Ursprung des Lebens war in der wissenschaftlichen Gemeinschaft schon immer ein kontroverses Thema. Von der Antike bis zur Gegenwart gibt es auf der ganzen Welt verschiedene Legenden, wie etwa die westliche Schöpfungstheorie, die chinesische Pangu-Weltschöpfungstheorie und so weiter. Erst im 19. Jahrhundert erlebte die Biowissenschaft mit der Veröffentlichung von Darwins „Entstehung der Arten“ einen beispiellosen Wandel und brachte der Menschheit einen Hoffnungsschimmer, das ewige Geheimnis der Entstehung des Lebens zu lüften. In Darwins Theorie war die Evolution des Lebens auf der Erde, insbesondere die Evolution von chemischen zu biologischen Prozessen, schon immer ein wichtiges Thema, dem er nachging. Am schwersten zu fassen ist dabei die Entstehung des genetischen Materials, aus dem das Leben besteht.

Der Vorschlag der „RNA-Welt“

Heute wissen wir, dass die wichtigsten Substanzen, aus denen das Leben besteht, DNA, RNA und Proteine ​​sind, die ein äußerst komplexes Netzwerk chemischer Reaktionen bilden. Heute verwenden alle bekannten Organismen dieselben genetischen Moleküle, die „Nukleinsäuren“, um Informationen zu speichern. In allen Lebewesen gibt es zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). DNA ist für die Kodierung der genetischen Informationen in Genen verantwortlich und wird in RNA transkribiert, die dann in Proteine ​​übersetzt wird. Als wichtigster Bestandteil der Zellen erfüllen Proteine ​​letztlich die überwiegende Mehrheit der molekularen Funktionen, beispielsweise die Unterstützung bei der Umwandlung von DNA in RNA und von RNA in Protein. Dieser Prozess ist das berühmte „zentrale Dogma“ der Biologie [1] . In gewissem Sinne sind die 4 Milliarden Jahre der Lebensgeschichte ein langer Walzer, den diese drei Substanzen tanzen, aber wir wissen nicht, wie dieser Walzer den ersten Schritt machte. Obwohl diese genetische Information in der heutigen biochemischen Maschinerie mit der DNA beginnt, ist nicht klar, welche Substanz in der Evolutionsgeschichte zuerst existierte.

Abbildung 1: Zentrales Dogma

Zunächst konzentrierte man sich auf DNA und Protein, da erstere den Ausgangspunkt der genetischen Information darstellt und Protein die wichtigste funktionelle Substanz im Lebensgeschehen ist. Doch letztlich gerieten beide Diskussionen in ein Dilemma. Wie das zentrale Dogma (Abbildung 1) zeigt, sollte der Ausgangspunkt anscheinend die DNA sein und der Fluss von der DNA zum Protein erfolgen. Dieser Theorie zufolge sollte die DNA vor den Proteinen erscheinen. Allerdings ist das Problem nicht so einfach. Damit das Leben seit vier Milliarden Jahren bestehen bleibt, muss sich die DNA selbst replizieren. Dieser Prozess kann jedoch nicht allein durch die DNA abgeschlossen werden. Um die Replikation abzuschließen, sind bestimmte Enzyme erforderlich, und bei diesen Enzymen handelt es sich allesamt um Proteine. Daher wird in der Diskussion über den Ursprung des Lebens die Frage nach dem Ursprung von DNA und Proteinen zur molekularbiologischen Version von „Was war zuerst da, das Huhn oder das Ei?“ (Anmerkung des Herausgebers: Ähnliche Fragen gibt es auch zum Ursprung der Mitochondrien. Siehe „Das Rätsel um den Ursprung der Mitochondrien: Wie wurde die Energiefabrik eukaryotischer Zellen gebaut?“)

Natürlich ist es unmöglich, dass das Leben bei seiner Entstehung über diesen gesamten Satz hochentwickelter Mechanismen verfügt. Es ist wahrscheinlicher, dass es eine einfachere Version gibt, die alle Funktionen ausführen kann. In den 1970er Jahren entdeckte Thomas Cech, ein Wissenschaftler an der University of Colorado, bei der Untersuchung des Phänomens „RNA-Spleißen“ in eukaryotischen Zellen, dass RNA-Moleküle das Spleißen selbst katalysieren können, ohne dass dafür Proteine ​​erforderlich sind [2] . Erstmals wurde nachgewiesen, dass RNA-Moleküle nicht nur passive Träger genetischer Informationen sind, sondern auch proteinkatalytische Funktionen haben und an zellulären Reaktionen teilnehmen können. Anschließend entdeckte Sidney Altman, ein Wissenschaftler an der Yale University in den Vereinigten Staaten, dass der RNA-Teil der Ribonuklease P von Escherichia coli auch die katalytische Aktivität des vollständigen Enzyms besitzt [3]. Beide Entdeckungen stellten die traditionelle Vorstellung auf den Kopf, dass alle Enzyme Proteine ​​seien, und brachten ihnen 1989 den Nobelpreis für Chemie ein.

Diese Entdeckungen zeigen uns die Fähigkeit der RNA, die nicht nur DNA bei der Kodierung genetischer Informationen ersetzen kann, sondern auch die enzymatische katalytische Funktion von Proteinen übernimmt. Mit anderen Worten: RNA kann die beiden wichtigen Aufgaben der Speicherung genetischer Informationen und der Katalyse von Reaktionen übernehmen. Dies bedeutet, dass RNA-Moleküle DNA und Proteine ​​hinter sich lassen und die Welt beherrschen könnten. Diese Entdeckung veranlasste einen anderen Nobelpreisträger, Walter Gilbert, in der Zeitschrift Nature die Theorie der „RNA-Welt“ vorzuschlagen[4]. Die Theorie der „RNA-Welt“ geht davon aus, dass das Leben ursprünglich in Form von RNA auftrat und sich im Zuge von Umweltveränderungen zur heutigen DNA und zu Proteinen entwickelte. Die ursprüngliche RNA hatte die gleiche Funktion der Speicherung genetischer Informationen wie die heutigen DNA-Moleküle und verfügte darüber hinaus über katalytische Funktionen wie Proteasen, wodurch alle notwendigen Voraussetzungen für frühe Zellen oder Lebensbewegungen geschaffen wurden.

Gibt es primitive Ribosomen?

Weist die „RNA-Welt“ auf das Geheimnis des Ursprungs des Lebens hin? Nein, diese Theorie ist noch immer mit vielen Problemen behaftet. So lässt sich beispielsweise nur schwer erklären, wie RNA selbst Proteine ​​produzieren kann. In Zellen ist die Proteinproduktion die Transkription von genetischem Material von DNA in mRNA (Messenger-Ribonukleinsäure) und anschließende Umwandlung in Proteine ​​oder Polypeptide (die als Miniproteine ​​betrachtet werden können) entsprechend der Basensequenz in der mRNA. Dieser Vorgang muss im Organell „Ribosom“ der Zelle abgeschlossen werden. Daher sind Ribosomen für die Produktion von Proteinen notwendig. Einige Wissenschaftler haben daher vorgeschlagen, dass es zu Beginn des Lebens, als die RNA die Fähigkeit zur Proteinsynthese entwickelte, ein „primitives Ribosom“ (Protoribosom) gegeben haben muss und dass dieses primitive Ribosom möglicherweise sogar „Meta-Leben“ darstellt. Daher ist die Frage, ob dieses primitive Ribosom des Metalebens existiert, zu einem sehr wichtigen Argument in dieser wissenschaftlichen Hypothese geworden. Die Befürworter müssen es entweder in der Natur finden oder dieses Metaleben im Labor erschaffen. In jüngster Zeit wurden in der Forschung zur Schaffung von Metaleben im Labor wichtige Fortschritte erzielt. Im Februar 2022 veröffentlichte Yonaths Team vom Weizmann Institute of Science in Israel einen Artikel in Nucleic Acids Research, in dem es erklärte, sie hätten das ursprüngliche Ribosom im Labor rekonstruiert und den Prozess seiner Proteinsynthese reproduziert[6].

Im Jahr 2000 veröffentlichten Wissenschaftler die genaue Struktur des gesamten Ribosoms, eine Leistung, die ihnen, darunter auch Ada Yonath, den Nobelpreis für Chemie 2009 einbrachte. Im Jahr 2000 identifizierte Yonaths Team die Struktur des Ribosoms, das aus Protein und RNA besteht und in zwei Untereinheiten unterschiedlicher Größe angeordnet ist[5]. Obwohl diese Materialien von extremen Mikroorganismen stammten, fielen ihnen bei der Veröffentlichung der Ribosomenstrukturen anderer Organismen einige Regelmäßigkeiten in der Ribosomenstruktur auf: Tief im Kern der großen Untereinheit befand sich eine halbsymmetrische Struktur. Dieser Bereich enthielt eine taschenartige Struktur aus ribosomaler RNA, das sogenannte Peptidyl-Transferase-Zentrum (PTC). Während der Übersetzung von mRNA in Protein werden Aminosäuren im PTC platziert und paarweise verknüpft. Man kann sagen, dass PTC die Voraussetzungen dafür schafft, dass sich Aminosäuren miteinander verbinden. Durch die Untersuchung von PTCs in verschiedenen Arten stellten sie fest, dass die Form jedes PTC gleich ist, obwohl die Nukleotidsequenz der Struktur von Art zu Art variiert. Ada Yonath und ihr Team spekulierten, dass dieser halbsymmetrische Bereich des PTC wahrscheinlich die primitivste Struktur des Ribosoms ist und dass sich das heutige Ribosom möglicherweise aus dieser Struktur entwickelt hat. Genau aufgrund dieser Spekulation schlugen sie erstmals das Konzept und die Idee des „primitiven Ribosoms“ vor.

Abbildung 2: 3D-Struktur des ursprünglichen Ribosoms[6]

Durch eine eingehende Analyse der Symmetrie von PTC fanden sie heraus, dass es sich dabei um ein Paar RNAs mit ähnlicher Form handelt, die mit unglaublicher Präzision eine halbsymmetrische trichterförmige Taschenstruktur bilden. Während des Translationsprozesses transportiert tRNA (Transfer-RNA) die Aminosäuren in den Trichter. Wenn die Aminosäuren in der Mitte des Trichters nahe genug beieinander liegen, verbinden sie sich und bilden Peptidbindungen. Daher schlugen sie ein Modell eines „primitiven Ribosoms“ vor, das möglicherweise auf der frühen Erde aufgetaucht ist. Dieses primitive Ribosom benötigt nur zwei ähnliche L-förmige RNAs, die aus 60 bzw. 61 Nukleotiden bestehen (Abbildung 2). Sie spekulierten, dass in solchen primitiven Ribosomen die taschenartige Struktur, die durch RNA gebildet wird, Aminosäuren miteinander verbinden könnte, um kleine Peptide zu bilden[6]. Doch als Yonath und ihr Team diese Idee erstmals vorschlugen, gab es keine experimentellen Beweise dafür, dass eine solche Struktur tatsächlich existieren und wie vorgesehen funktionieren könnte.

Um diese Hypothese zu beweisen, müssen Yonath und ihr Team den Prozess replizieren oder die Struktur im Labor nachbilden. Der erste Schritt des Experiments besteht darin, dieses theoretische primitive Ribosom zu konstruieren. Bei der Analyse moderner Ribosomen nahmen sie sich die Zeit, alles von den heutigen Ribosomen zu entfernen, was scheinbar nichts mit dem ursprünglichen Ribosom zu tun hatte, und ließen gerade genug RNA übrig, um die halbsymmetrische Taschenstruktur zu erzeugen, die den Kern des PTC bildet. Der zweite Schritt des Experiments bestand darin, zu zeigen, dass dieses mutmaßliche primitive Ribosom zwei Aminosäuren aufnehmen und sie zu einem Polypeptid verknüpfen konnte. Aber dieser Prozess ist nicht einfach. Selbst wenn das ursprüngliche Ribosom funktionsfähig wäre, könnte seine Effizienz aufgrund der fehlenden Beteiligung von Proteasen sehr gering sein. Zudem ist die Menge der Polypeptide, die produziert werden kann, so gering, dass es für Forscher schwierig sein wird, sie nachzuweisen. Daher wurde das Projekt von einem Forscher zum anderen weitergereicht und es dauerte mehr als 15 Jahre, bis schließlich festgestellt wurde, dass das „primitive Ribosom“ zwei Aminosäuren zu einem Polypeptid verknüpfen konnte[6].

Natürlich muss eine solche „Frage auf Nobelpreisniveau“ die Aufmerksamkeit unzähliger Wissenschaftler auf sich gezogen haben. Yonaths Team ist nicht das einzige Team, das dem „primitiven Ribosom“ auf der Spur ist. Auch Professor Koji Tamura aus Japan ließ sich von der hemissymmetrischen Kerntasche des PTC inspirieren und seinem Team gelang die Schaffung eines ähnlichen funktionellen primitiven Ribosoms[7], das auch die von Yonath vorgeschlagene Hypothese des „primitiven Ribosoms“ bestätigte. Diese beiden Arbeiten liefern nun nicht nur weitere Details für die Erforschung der Entstehung des Lebens, sondern öffnen auch die Tür zur molekularbiologischen Forschung.

Derzeit untersuchen viele Forscher primitive Ribosomen oder ähnliche Organismen als Werkzeuge zur Entwicklung neuer Arten der molekularbiologischen Forschung. Aufgrund der Anwesenheit von Ribosomen können Proteine ​​synthetisiert werden. Dieser Ribosomtyp ist nicht durch Aminosäuren eingeschränkt und kann neue biologische Proteine ​​oder neue biologische Moleküle produzieren, beispielsweise rechtshändige Aminosäuren (derzeit sind alle Aminosäuren, aus denen das Leben besteht, linkshändig). Und diese Synthesemethode kann günstiger und umweltfreundlicher sein.

Die vielfältigen Fragen nach dem Ursprung des Lebens

Natürlich ist die Entstehung des Lebens möglicherweise nicht so einfach. Einige Wissenschaftler glauben, dass das primitive Ribosom lediglich eine Vermutung über den Ursprung des Ribosoms ist. Die primitiven Ribosomenstrukturen der beiden Labore sind genau dieselben wie die moderne PTC-Struktur, und wir verstehen die Evolution des Ribosoms immer noch nicht. Dieses Ergebnis beweist lediglich, dass die PTC-Struktur die Fähigkeit besitzt, Proteine ​​zu synthetisieren, es reicht jedoch nicht aus, um zu beweisen, dass sich die heutigen Ribosomen aus den primitiven Ribosomen mit der PTC-Struktur entwickelt haben. Andere Forscher haben auch darauf hingewiesen, dass Peptide auf der frühen Erde möglicherweise auf andere Weise entstanden sind. Beispielsweise könnten Aminosäuren und α-Hydroxysäuren (eine Gruppe, zu der auch Milchsäure und Citrat gehören) unter den kühlen, feuchten und heiß-trockenen Klimazyklen der frühen Erde Polypeptide gebildet haben, und dieser Prozess erforderte keine Beteiligung von RNA [8] . Im Jahr 2022 verwendete ein anderes Forschungsteam RNA-Basen (allerdings nicht die im modernen RNA-Code verwendeten A-, C-, G- und U-Basen), um Peptide miteinander zu verknüpfen [9]. Dieses Ergebnis zeigt auch, dass die Verknüpfung von Aminosäuren auch in der „RNA-Welt“ ohne Ribosomen erfolgen kann. Die Art und Weise, wie diese Proteine ​​hergestellt werden, hat keine Ähnlichkeit mit der Art und Weise, wie die Natur derzeit Proteine ​​aus RNA herstellt.

Seit vielen Jahren erforschen Wissenschaftler, welche Materieform für die große Mission „Ausgangspunkt des Lebens“ verantwortlich ist, doch über den Ursprung des Lebens bleibt noch viel zu erforschen. Beispielsweise müssen wir herausfinden, wie die RNA die Fähigkeit erlangte, sich selbst zu replizieren. Wir müssen auch herausfinden, wie frühe Ribosomen spezifische Peptide erkannten, die von der ursprünglichen mRNA kodiert wurden. Diese Prozesse werden in Kombination mit der Fähigkeit zur Synthese von Peptiden weitere Möglichkeiten für die Entstehung des Lebens eröffnen.

Vor vier Milliarden Jahren durchlief die „Ursuppe“ der frühen Erde im Zuge der Veränderungen in der Umgebung eine Reihe chemischer Reaktionen, aus denen schließlich eine Substanz entstand, die heute zum Ausgangspunkt für Milliarden farbenfroher Lebewesen wurde. Wie genau ist es entstanden und hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt? Vielleicht wird dies immer das Ziel menschlicher Forschung bleiben und Generationen neugieriger Menschen wie uns inspirieren.

Verweise

[1] Crick F. Natur. 8. August 1970;227(5258):561-3.

[2] Kruger, K. et al. Zelle 31, 147–157 (1982)

[3] Stark BC. et al. Proc Natl Acad Sci US A. 1978 Aug;75(8):3717-21.

[4] Gilbert, W. Nature 319, 618 (1986).

[5] Schluenzen, F. et al. Zelle 102, 615–623 (2000)

[6] Bose T et al. Nukleinsäureforschung. 28. Februar 2022;50(4):1815-1828.

[7] Herr Kawabata et al. Leben (Basel). 2022 Apr 12;12(4):573.

[8] Forsythe, JG et al. Angew. Chem. Int. Edn Engl. 54, 9871–9875 (2015).

[9] Müller, F. et al. Nature 605, 279–284 (2022).

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

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