Einer der grundlegenden Schritte zum Verständnis des Ursprungs des organischen Lebens auf der Erde (und möglicherweise auch in anderen astrobiologischen Umgebungen) besteht darin, zu modellieren, wie und wo sich die ersten Zellen gebildet haben. Und sie haben gerade ein Schlüsselstück des Puzzles gefunden.
Die Rolle von Fetten bei der Zellbildung
In den wässrigen Umgebungen der frühen Erde gab es Fette oder Lipide. Von dort aus hat eine neue Arbeit unter der Leitung von Sunil Pulletikurti vom Scripps Research Institute in Kalifornien einen Weg beschrieben, auf dem einfache Lipidvesikel (kleine mit Flüssigkeit gefüllte Kügelchen oder Beutel) Protozellen in wässrigen Umgebungen formen könnten, die reich an Nährstoffen aus der frühen Erde sind.
Zellen sind keine wasserdichten, von ihrer wässrigen Umgebung isolierten Kompartimente. Seit Beginn der Evolution müssen sie Membranen gehabt haben, die Nährstoffe filterten und Abfallstoffe ausschieden. Diese Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung, damit wir mit den Prozessen experimentieren können, die in einem primitiven wässrigen Medium abliefen, in dem Leben entstehen konnte.
Laut der Studie von Pulletikurti und Mitarbeitern könnten diese kugelförmigen Lipidvesikel in einer turbulenten Flüssigkeitsumgebung die Vorläufer der Membranen moderner Zellen sein.
Die Forscher untersuchten den chemischen Prozess, bei dem Phosphatgruppen an ein Molekül hinzugefügt werden, die Phosphorylierung. Durch diesen Prozess könnten Phospholipide entstanden sein, die im Gegensatz zu anderen Fetten in der Lage sind, doppelsträngige Protozellen zu bilden.
Die Bildung doppelsträngiger Protozellen könnte eine Vielzahl chemischer Reaktionen in ihrem Inneren ermöglichen und den Membranen Stabilität verleihen. Und so machte er sich auf den Weg zum Ursprung der ersten Zelle.
Das Scripps Research Institute
Die Welt der RNA
Jan Gebicki und Mark Hicks wiesen bereits in den siebziger Jahren auf die Rolle von Lipidmolekülen bei der Bildung von Zellmembranen hin. Fette sind an der Bereitstellung von Proteinen beteiligt und wirken als Barriere für den freien Fluss gelöster Stoffe im Inneren, ein wesentlicher Aspekt, damit sich die Zelle aus eigener Kraft ernähren kann.
Anschließend zeigten Ting F. Zhu und Jack W. Szostak, dass sich aus großen multilamellaren Fettsäurevesikeln aufgebaute Protozellen in einem kontinuierlich bewegten Medium vermehren können. Somit könnten die in diesen Protomembranen eingekapselten Ribonukleinsäure (RNA)-Moleküle auf die Tochtervesikel verteilt werden.
In ihren Beobachtungen wiesen Gebicki und Hicks darauf hin, dass sie sich der Synthese einer vollständigen Protozelle im Labor näherten: ausgestattet mit einem selbstreplizierenden Genom und einem selbstreplizierenden Membrankompartiment.
Die relative Einfachheit dieses Mechanismus würde es ermöglichen, dass er unter den präbiotischen Bedingungen der frühen Erde abläuft.
Zhu und Szostak (2009)
Die Schlüsselrolle von Phosphor
Die Faszination für die Eigenschaften von Phosphor in der chemischen Evolution reicht weit zurück. Der kürzlich verstorbene brillante Physiker Enric Macià wies bereits auf bestimmte ursprüngliche Wege beim Einbau dieses chemischen Elements in lebende Materie hin. Nicht zu viel Phosphor kann in einer wässrigen Lösung Phosphatgruppen bilden, und dieses Detail könnte für den Übergang zu weiter entwickelten Membranen von entscheidender Bedeutung sein.
Tatsächlich bestehen heutige Zellmembranen aus Fettsäuren, die an Glycerin (eines der Hauptprodukte des Lipidabbaus) gebunden sind, wobei eine Phosphatgruppe eine Fettsäure ersetzt.
Die Phosphatgruppe ist hydrophil (sie nimmt sehr leicht Wasser auf und vermischt sich nicht mit Fetten) und bindet an Glycerin. Diese Kombination bildet den „Kopf“ der Struktur, während die „Schwänze“ hydrophobe Fettsäureketten sind.
Beide Moleküle haben entgegengesetzte chemische Eigenschaften (amphipathisch). Dies sind Schlüsselmerkmale für die Stabilität der Struktur.
An diesem Punkt hätten wir die Grundstruktur dessen, was die erste lebende Zelle gewesen sein könnte.
Die Nachfrage nach den ersten lebenden Formen
Die neue Studie legt nahe, dass die ersten Zellen, die ersten lebenden Systeme, möglicherweise unterschiedliche frühe „Präferenzen“ bei der Substitution einiger Glycerinkomponenten hatten.
In dieser biologischen Evolution weist die neue Studie von Sunil Pulletikurti und seinen Mitarbeitern darauf hin, dass zyklische Phospholipide nicht nur in der frühen präbiotischen protozellulären Chemie eine wichtige Rolle gespielt hätten: Sie hätten auch die chemische Entwicklung von Protozellen von strukturell einfachen zu funktionell komplexeren Zellen erleichtert . .
Damit dies alles möglich ist, muss es auf einer Doppelmembranstruktur basieren.
Josep M. Trigo
Der Beitrag des Außenbereichs
Membranen spielten eine wesentliche Rolle bei der Gestaltung der Eigenschaften der ersten Zellen und bei ihrer späteren Entwicklung. Aber wir dürfen nicht vergessen, wie wichtig es ist zu wissen, was sich in der ersten wässrigen Umgebung befand, in der das Leben begann.
Um diese Prozesse in wässrigen Medien zu verstehen, muss man sich mit der Verfügbarkeit dieser Komponenten in einer primitiven Umgebung befassen, die einem kontinuierlichen Fluss von Elementen aus dem Weltraum unterliegt, einige davon in Form von Mineralien mit katalysierenden Eigenschaften komplexer organischer Verbindungen.
So einfach es auch erscheinen mag, die genaue Modellierung der Bedingungen, unter denen solche Ereignisse stattfanden, ist eine enorme Herausforderung.
