Sind die ersten DNA-Moleküle viel früher entstanden als gedacht?

18.06.2019 - Deutschland

Das Erbmolekül DNA ist womöglich viel früher entstanden als bislang angenommen. Chemiker um Oliver Trapp zeigen einen einfachen Reaktionsweg, wie es aus einfachen Bausteinen auf der frühen Erde hat hervorgehen können.

Wie kam das Leben auf die Erde? Es ist dies eine Frage, die sich bislang allenfalls in Teilen beantworten lässt. So viel ist klar: Vor der biologischen Evolution, die die Vielfalt des Lebens auf dem Planeten hat entstehen lassen, muss es eine chemische Evolution gegeben haben. Aus einfachen Vorläufermolekülen, die auf unter den präbiotischen Bedingungen auf der frühen Erde leicht verfügbar waren, haben sich zufällig die ersten Moleküle bilden können, die Informationen speichern und sich selbst vervielfältigen konnten – und in der Folge zum evolutionären Erfolgsmodell wurden.

Seit Jahrmilliarden arbeitet die Natur vor allem mit dem Großmolekül DNA; die genetische Information ist in der Abfolge der im Wesentlichen vier verschiedenen Bausteine in langen Doppelsträngen gespeichert. Daneben gibt es die in ihrem Aufbau eng verwandte RNA, die ebenfalls wichtige Funktionen etwa bei der Vervielfältigung der Erbinformation hat.

Doch welche der beiden Molekülarten war zuerst da? Klare Sache, die RNA, hieß es bisher; für sie ließ sich bereits vor Jahrzehnten erklären, aus welchen einfachen Vorläufermolekülen sie in einem präbiotischen Setting womöglich entstanden ist. Das Schlagwort von der RNA-Welt ist in Fachkreisen ein stehender Begriff. Doch wie ist danach die DNA entstanden? Die gängige Vermutung ist, dass die Natur dafür erst in Jahrmillionen ein Enzym, ein vergleichsweise kompliziertes Biomolekül, hat hervorbringen müssen.

Nun hat ein Team von LMU-Chemikern um Professor Oliver Trapp einen direkten Weg gefunden. Die Wissenschaftler schlagen einen Mechanismus vor, nach dem sich aus einfachen Bausteinen im präbiotischen Setting DNA-Moleküle haben bilden können. Der Reaktionsweg ist vergleichsweise einfach, sagt Trapp, so dass es nicht unwahrscheinlich ist, dass er auch wirklich zufällig hat ablaufen können – ohne schwer erklärbare Wechsel der Temperatur und anderer Reaktionsbedingungen. Bei seinen Experimenten reichten Wasser, vielleicht leicht alkalisches Milieu, und realistische Temperaturen zwischen 40 und 70 Grad Celsius als Reaktionsumgebung. Dann waren die Synthesegeschwindigkeiten und die Ausbeute hinreichend, die Produkte entstanden mit hoher Selektivität in der richtigen räumlichen Anordnung.

Grundsätzlich bestehen DNA-Bausteine aus einer sogenannten Nukleobase und einem Zucker, der Desoxyribose. Bisher hat sich die Fachwelt darauf kapriziert, dass eine Synthese auch unter präbiotischen Bedingungen genau eine Kopplung dieser beiden Komponenten voraussetzt. Doch niemandem ist es bisher gelungen, nachzuweisen, wie das auf der frühen Erde hätte gelingen können – eben ohne die Hilfe eines Enzyms. Der Clou des neuen Ansatzes, so erklärt Trapp, liegt darin, dass sich der Zucker nicht an die Nukleobase koppelt, sondern daran in wenigen Reaktionsschritten aufgebaut wird – mit einfachen Molekülen wie Acetaldehyd und Glycerinaldehyd. Außerdem identifizierten die Forscher eine weitere Familie von möglichen Vorläufern der DNA-Bausteine. Bei ihnen ist die Desoxyribose durch einen anderen Zucker ersetzt.

Die Ergebnisse legten nahe, so sagen die LMU-Wissenschaftler, dass die ersten DNA-Moleküle parallel zur RNA entstehen konnten – vor knapp 4 Milliarden Jahren und damit etwa 400 Millionen Jahre früher als bislang angenommen.