Das ungelöste Geheimnis des Ursprungs des Lebens: Eine neue Strategie

Der Ursprung des Lebens bleibt ein wissenschaftliches Rätsel, wobei die Forschung zwischen „Bottom-up“-Methoden, die die Umgebungen der frühen Erde simulieren, und „Top-down“-Methoden, die die Evolutionsbiologie nutzen, um Lebensformen zu verfolgen, aufgeteilt ist. In einem kürzlich erschienenen interdisziplinären Artikel wird vorgeschlagen, diese Methoden durch die Untersuchung von Elektronentransportketten, einem globalen Stoffwechselsystem, zu verbinden und Einblicke in die ersten Stoffwechselstrategien des Lebens und deren Ursprung zu gewinnen.

Trotz jahrelanger Fortschritte bleibt der Ursprung des Lebens eines der beständigsten Rätsel der Wissenschaft.

„Das wichtigste Merkmal der Biologie: Lebewesen bestehen aus Zellen, durch die genetische Informationen weitergegeben werden DNA„Sie nutzen Proteinenzyme, um ihren Stoffwechsel anzutreiben, und all das entstand durch spezifische Prozesse in einer sehr frühen Evolutionsgeschichte“, sagt Aaron Goldman, Assistenzprofessor für Biologie am Oberlin College. „Wenn wir verstehen, wie diese grundlegenden biologischen Systeme entstanden, erhalten wir nicht nur einen Einblick in die Funktionsweise des Lebens auf grundlegender Ebene, sondern auch darüber, was Leben überhaupt ist und wie wir jenseits der Erde danach suchen können.“

Die Frage, wie das Leben entstand, wird normalerweise durch Laborexperimente untersucht, die die Umgebungen der frühen Erde simulieren und nach Chemie suchen, die die gleichen Arten von Biomolekülen und Stoffwechselreaktionen erzeugen könnte, die wir heute in Lebewesen sehen. Dies wird als „Bottom-up“-Ansatz bezeichnet, da er mit Materialien arbeitet, die sonst auf der Erde für Präbiotika vorhanden wären.

Während diese sogenannten „präbiotischen Chemie“-Experimente erfolgreich gezeigt haben, wie man lebt könnte haben Als Erwachsene können sie uns nicht sagen, wie das Leben tatsächlich ist ein Akt entstehen. In der Zwischenzeit nutzen andere Forschungen Techniken aus der Evolutionsbiologie, um anhand von Daten aus dem heutigen Leben zu rekonstruieren, wie frühe Lebensformen ausgesehen haben könnten. Dies ist als „Top-Down“-Ansatz bekannt und kann uns etwas über die Geschichte des Lebens auf der Erde erzählen.

Allerdings kann die Top-down-Forschung nur zurückblicken, da es in den heutigen Organismen noch Gene gab, die also nicht bis zum Ursprung des Lebens reichten. Trotz ihrer Einschränkungen zielen Top-down- und Bottom-up-Forschung auf das gemeinsame Ziel, die Ursprünge des Lebens zu entdecken, und im Idealfall sollten ihre Antworten auf einen gemeinsamen Satz von Begriffen konvergieren.

Ein neuer Artikel von Goldman, Lori Barge (Wissenschaftlerin für Astrobiologie am NASAStrahlantriebsanlage (Labor für Strahlantriebe)) und Kollegen, um diese methodische Lücke zu schließen. Die Autoren argumentieren, dass die Kombination von Bottom-Up-Laborforschung zu plausiblen Wegen zur Entstehung des Lebens mit Top-Down-Evolutionsrekonstruktionen früher Lebensformen genutzt werden kann, um herauszufinden, wie das Leben tatsächlich auf der frühen Erde entstanden ist.

In ihrer Arbeit beschreiben die Autoren ein für das heutige Leben grundlegendes Phänomen, das durch die Kombination von Bottom-up- und Top-down-Forschung untersucht werden kann: Elektronentransportketten.

Elektronentransportketten sind eine Art Stoffwechselsystem, das von Organismen im gesamten Lebensbaum, von Bakterien bis hin zu Menschen, genutzt wird, um nutzbare Formen chemischer Energie zu erzeugen. Die vielen verschiedenen Arten von Elektronentransportketten sind spezifisch für jede Lebensform und den Energiestoffwechsel, den sie nutzen: Beispielsweise enthalten unsere Mitochondrien eine Elektronentransportkette, die mit dem heterotrophen (nahrungsmittelverbrauchenden) Energiestoffwechsel verbunden ist; Pflanzen hingegen haben eine völlig andere Elektronentransportkette Photosynthese (Energie aus Sonnenlicht erzeugen).

Und in der gesamten mikrobiellen Welt nutzen Organismen ein breites Spektrum an Elektronentransportketten, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Energiestoffwechselprozesse verbunden sind. Doch trotz dieser Unterschiede beschreiben die Autoren Hinweise aus der Top-Down-Forschung, dass diese Art von Stoffwechselstrategie von sehr frühen Lebensformen genutzt wurde, und liefern mehrere Modelle für uralte Elektronentransportketten, die bis in die sehr frühe Evolutionsgeschichte zurückverfolgt werden können.

Sie untersuchten auch aktuelle Bottom-up-Beweise dafür, dass bereits vor der Entstehung des Lebens, wie wir es kennen, die Chemie der Elektronentransportkette durch Mineralien und Wasser der frühen Ozeane der Erde erleichtert worden sein könnte. Inspiriert von diesen Beobachtungen skizzieren die Autoren zukünftige Forschungsstrategien, die Top-Down- und Bottom-Up-Forschung zur frühesten Geschichte von Elektronentransportketten kombinieren, um ein besseres Verständnis des antiken Energiestoffwechsels und des Ursprungs des Lebens im weiteren Sinne zu erlangen.

Diese Studie ist der Höhepunkt der fünfjährigen bisherigen Arbeit dieses multidisziplinären, interdisziplinären Teams unter der Leitung von Barge am JPL, das vom NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life finanziert wurde, um zu untersuchen, wie Stoffwechselinteraktionen in geologischen Umgebungen auf der frühen Erde entstanden . . Die bisherige Arbeit des Teams befasste sich beispielsweise mit spezifischen Wechselwirkungen in der Elektronentransportkette, die durch Metalle gesteuert werden (unter der Leitung von Jessica Weber, einer Forschungswissenschaftlerin am JPL); Wie alte Enzyme könnte haben In ihren aktiven Zentren sind präbiotische Chemikalien enthalten (angeführt von Goldman); Und Mikrobieller Stoffwechsel in Umgebungen mit stark begrenzter Energie (Unter der Leitung von Doug LaRue von der University of Southern California).

„Die Entstehung des Stoffwechsels ist eine multidisziplinäre Frage und daher brauchen wir ein multidisziplinäres Team, um dies zu untersuchen“, sagt Barge. „Unsere Arbeit hat Techniken aus der Chemie, Geologie, Biologie und Computermodellierung genutzt, um diese Top-Down- und Bottom-Up-Ansätze zu kombinieren, und diese Art der Zusammenarbeit wird für zukünftige Studien zu präbiotischen Stoffwechselwegen wichtig sein.“

Referenz: „Elektronentransportketten als Fenster zu den frühen Stadien der Evolution“ von Aaron D. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Die Studie wurde von der National Aeronautics and Space Administration finanziert.