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Wie könnte das Leben auf der Erde entstanden sein? Wie könnte es auf fremden erdähnlichen Himmelskörpern entstehen? Um diese Fragen zu beantworten, ist ein Prozess zu ermitteln, der von der Chemie auf der frühen Erde zur Ordnung und Komplexität lebender Systeme führt. Grundlage für eine spontane Evolution könnten peptidbeladene Vesikel sein.
Wie ein Prozess aussehen könnte, der die Komplexität und Ordnung einer lebenden Zelle hervorruft, zeigt Abbildung 1.1) Dabei ist es leicht, einfache organische Moleküle in einen geordneten Zustand zu bringen, etwa indem man sie einfriert oder durch Trocknung kristallisiert. Ebenso einfach lassen sich ungeordnete Reaktionsketten und Polymermischungen herstellen, die mit Komplexität verbunden sind. Schwierig dagegen ist es, Komplexität und Ordnung gleichzeitig zu erhöhen und sich damit der Grundvoraussetzung lebender Systeme zu nähern.<figure><img src="https://media.graphcms.com/SFNdraGdRqypZAh7ExBc"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Komplexität und Ordnung unbelebter und belebter Systeme. Ausgehend von einer einfachen präbiotischen Chemie steigt entweder die Ordnung durch Kristallisation (blau) oder die Komplexität durch chaotische Reaktionsführung (gelb). Werden beide Parameter gleichzeitig erhöht, nähert man sich sich damit der Region des Lebens (grün).</figcaption></figure>
Wie also hätte sich die Entwicklung lebender Systeme entlang der Diagonale in Abbildung 1 abspielen können? Der einzige bekannte Mechanismus, nach dem sich Komplexität und Ordnung synchron entwickeln können, ist die Evolution. Nicht unbedingt die Darwinsche, denn sie beruht auf identischer Reproduktion – auf der Ebene der einfachsten Moleküle fehlte wahrscheinlich ein Mechanismus zur Vervielfältigung. Aber ein Wechselspiel aus Strukturbildung und Selektion könnte schrittweise zu geordneten und komplexen Systemen führen.Für die dafür perfekte Umgebung gibt es viele Möglichkeiten, allerdings sticht eine heraus: tektonische Spalten im Inneren der Erdkruste.2) Sie haben gegenüber alternativen Systemen Vorteile, so sind sie etwa durchflossen von Lösemitteln wie Wasser und überkritischem Kohlendioxid, die alle wichtigen präbiotischen Bestandteile enthalten, also Aminosäuren, Zuckervorstufen, amphiphile Moleküle. Sie sind über hunderttausende Jahre hinweg stabil, und sie schützen vor destruktiven Einflüssen wie UV-Strahlung, Niederschlägen, Flutwellen und Stürmen. Lokale Taschen in diesen Spaltensystemen bieten optimale Bedingungen für einen anhaltenden Strukturbildungs- und Selektionsprozess.In einer Tiefe, in der ein hydrostatischer Druck von etwa 74 bar herrscht, wird überkritisches Kohlendioxid zu unterkritischem, gasförmigem; ein Prozess, durch den sich weniger Substanz darin löst. Dadurch entsteht in dieser Tiefe eine Akkumulationszone, die organische Moleküle anreichert.3) Zudem erzeugen periodische Phänomene wie Gezeiten oder Geysire ebenso periodische Druckschwankungen, die den Zeittakt einer Entwicklung vorgeben.<h2>Druck bedingt Generationswechsel</h2>In Gegenwart amphiphiler Moleküle, wie sie Ulrich Schreiber und Oliver Schmitz in Einschlüssen aus präbiotischer Zeit gefunden haben,4) treiben periodische Druckschwankungen in der Akkumulationszone einen Prozess an, der eine Generationenfolge von Vesikeln entstehen lässt.5)Das Prinzip der Vesikelbildung (Abbildung 2) lässt sich in einer Hochdruckzelle unter Laborbedingungen nachvollziehen (Abbildung 3). Die Vesikel sind zwischen wenigen Hundert Nanometern und 30 Mikrometern groß. Einige sind multilamellar, da Tröpfchen in der Gasphase verschmelzen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/CgRrz5mSQfGYNwft3kjl"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Periodische Vesikelbildung in der Akkumulationszone in Gegenwart amphiphiler Moleküle (grün). In der überkritischen Phase (rechts, 1 und 2) löst das wassergesättigte Kohlendioxid sowohl die Amphiphile (grün) als auch andere organische Moleküle (rot). Beim Übergang in die unterkritische Phase (3) bilden sich Wassertropfen, welche die Amphiphile an der Oberfläche anreichen und die übrigen organischen Moleküle in ihrem Inneren. Sinken die Tropfen auf die Wasseroberfläche (4), entsteht mit der dort vorhandenen Monolage eine amphiphile Doppelschicht. Das Ergebnis sind Vesikel (5), die bei Übergang in die überkritische Phase mehrheitlich abgebaut werden (6). An diesem Punkt startet der Zyklus von neuem.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/S0CmBP0oSvyS7jIre63w"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Anlage zur Langzeitsimulation von Druck- und Temperaturverhältnissen innerhalb der Erdkruste. Die periodischen Druckschwankungen, zum Beispiel durch Geysire oder Gezeiten, sind frei programmierbar. Die Hochdruckzelle (Mitte) enthält eine Mischung aus teilweise amphiphilen präbiotischen Substanzen in einem Lösemittelsystem aus Wasser und Kohlendioxid. Durch die Druckschwankungen bilden sich Vesikel (kleines Bild). Dunkelfeld-Mikrofotografie: Maria J. Dávila</figcaption></figure>
In derselben Umgebung, in der die Vesikel entstehen, akkumulieren sich hydrothermal gebildete Aminosäuren. Einer gängigen Annahme nach können zwölf der proteinogenen Aminosäuren hydrothermal entstehen. Die Aminosäureeinheiten tendieren unter den gegebenen Bedingungen dazu, spontan zu Peptiden zu kondensieren. Dies geschieht zwar mit extrem schlechter Ausbeute (beispielsweise knapp 10 Prozent für Dipeptide, knapp 1 Prozent für Tripeptide), trotzdem lassen sich schon nach wenigen Stunden Versuchsablauf kurze Ketten bis hin zu Octapeptiden nachweisen. Nach etwa einem Tag hat sich ein Gleichgewicht eingestellt, in dem Peptide mit der Kettenlänge n etwa die 10–(n–1)-fache Konzentration der Aminosäuren aufweisen.3) Damit entsteht ein Pool von Peptidketten mit statistischer Zusammensetzung und Sequenz. Diese können nun mit den amphiphilen Doppelschichten spezifisch wechselwirken, vor allem dann, wenn sie selber amphiphil sind und in ihrer Polaritätsverteilung die Struktur der Doppelschichtmembran spiegeln. Solche Peptide integrieren sich rasch in die Vesikelmembran, wie kernresonanzspektroskopische Messungen zeigen.<h2>Selektionskriterien</h2>Im membrangebundenen Zustand sind die amphiphilen Peptidketten vor Hydrolyse geschützt, da Wassermoleküle kaum eindringen können. Damit sind die Peptidketten dem Gleichgewicht aus Kondensation und Hydrolyse entzogen, weshalb ihre Konzentration über den 10–(n–1)-fachen Wert der Aminosäuren steigt. Mit anderen Worten: Diese amphiphilen Peptide werden signifikant angereichert, sie akkumulieren sich in der vesikelbildenden Zone und werden von Vesikelgeneration zu Vesikelgeneration weitergereicht (Abbildung 4). Doch die Amphiphilie ist nicht das einzige Selektionskriterium.<figure><img src="https://media.graphcms.com/U5XCxBJkTniBw4kIewQD"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Wechselwirkung der statistisch gebildeten Peptide mit der Vesikelmembran. Hydrophile Peptide (blau) wechselwirken kaum mit der Membran. Hydrophobe Peptide (rot) lösen sich in überkritischem Kohlendioxid und werden vermehrt ausgewaschen. Amphiphile Peptide (rot-blau) können sich in die Membran integrieren, sind dort vor Hydrolyse geschützt und reichern sich an.</figcaption></figure>
Die erste Stufe der Selektion könnte man als parasitisch bezeichnen (Abbildung 5): Die Peptide sind in die Vesikelmembran integriert, sind so vor Hydrolyse geschützt und reichern sich dadurch an. Den Vesikeln nützt das nichts, sie werden vielleicht sogar destabilisiert.<figure><img src="https://media.graphcms.com/UVTpDCgfTDKSbRlQ0OiL"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Mögliche Selektionskriterien bei der Anreicherung von Peptiden. Parasitisch: die Peptide integrieren sich in die Membran, sind dadurch vor Hydrolyse geschützt. Symbiotisch: die Peptide integrieren sich in die Membran, sind dadurch vor Hydrolyse geschützt und stabilisieren das Vesikel, etwa als trans-Membran-Peptide. Funktional: Die Peptide entwickeln eine Funktion, die Vesikel über mehrere Generationen bestehen lässt, etwa eine Pore zum Ausgleich des osmotischen Drucks.</figcaption></figure>
Die zweite Stufe der Selektion, in Abbildung 5 als symbiotisch eingeführt, machen Peptide aus, die sich einerseits in die Membran einbetten und dadurch vor Hydrolyse schützen. Andererseits stabilisieren sie aber auch die Vesikel, beispielsweise dadurch, dass sie als Transmembranpeptide vorliegen oder sterische Spannungen innerhalb der Doppelschicht abbauen. Solche Peptide haben einen weiteren Selektionsvorteil: Die Vesikel, in denen sie vorkommen, überdauern durch ihre zusätzliche Stabilität mehrere Generationen. Dadurch steigt wiederum die Dauer der Phase, innerhalb derer das Peptid vor Hydrolyse geschützt ist.Die dritte Stufe der Selektion lässt sich funktional nennen. Hierbei bilden die in der Vesikelmembran eingebetteten Peptide Funktionen, welche die Überlebensfähigkeit der Vesikel weiter steigern. Ein Beispiel dafür ist das peptidinduzierte Entstehen einer Pore, die Wasser und darin gelöste Ionen passieren lässt. So könnten die Vesikel Konzentrationsunterschiede und den damit verbundenen osmotischen Druck abbauen, die nach Abbildung 2 entstehen müssten. Das steigert die Lebensdauer der Vesikel und ist ein weiterer Selektionsvorteil für die mit diesem Mechanismus verbundenen Peptide.<h2>Mit Evolution zur Funktion</h2>Das Ineinandergreifen der Selektionsprozesse an den Peptiden und an den Vesikeln startet eine Art von Evolution, die bis hin zu funktionalen Vesikeln führt.6) Die Arbeitsgruppe von Oliver Schmitz an der Universität Duisburg-Essen wies nach drei Wochen Versuchslaufzeit mit 1500 Vesikelgenerationen Peptide nach, die Vesikel stabilisieren und funktionalisieren. So erhöht ein bereits identifiziertes und sequenziertes Octapeptid die Lebensdauer der Vesikel, verkleinert sie und macht ihre Membran durchlässiger.6)Letztlich ist dieser Prozess genau der Weg, der entlang der Diagonale in Abbildung 1 führt (grüner Pfeil). Mit jedem Schritt dieses Evolutionsprozesses erhöhen sich sowohl die Ordnung – in Form definierter Peptidsequenzen – als auch die Komplexität in Form der Peptidlänge.Am Endpunkt dieser Entwicklung, die sich auf der frühen Erde vollzogen haben könnte, steht zwar kein lebendes System, aber immerhin eine Art funktionales Vesikel, das sogar einen primitiven Stoffwechsel aufweisen könnte, wenn es den Konzentrationsgradienten nutzt. Solch ein System ist – wahrscheinlich unter Einbindung selbstreplizierender molekularer Systeme – eine mögliche Grundlage für die Entstehung der ersten lebenden Zelle.<h2>Der Autor</h2>Christian Mayer, Jahrgang 1958, ist Professor für physikalische Chemie an der Universität Duisburg-Essen. Er beschäftigt sich seit etwa zehn Jahren mit dem Ursprung des Lebens. Aktueller experimenteller Schwerpunkt ist die Simulation physikalischer und chemischer Prozesse in der Erdkruste. Als analytische Methode dient vorwiegend Kernresonanzspektroskopie mit gepulsten Feldgradienten, die zeitaufgelöste Messungen an Vesikeln ermöglicht.<div><img src="https://media.graphcms.com/LgmrswxSwWNL9FhNx0Un">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Tektonische Spalten im Inneren der Erdkruste enthalten alle Moleküle, die für erste Strukturbildungs- und Selektionsprozesse wichtig sind.Was sich in diesen Spalten abspielt, lässt sich im Labor in einer Hochdruckzelle nachvollziehen.In dieser Hochdruckzelle entstehen Vesikel und Peptide. Sie interagieren miteinander, wobei die Peptide die Vesikel beeinflussen können. Damit beginnt eine Evolution.
<ul><li>
1 C. Mayer, Life 2020, 10, 5</li><li>
2 U. Schreiber, O. Locker-Grütjen, C. Mayer, Orig. Life Evol. Biosph. 2012, 42, 47</li><li>
3 C. Mayer, U. Schreiber, M. J. Dávila, Life 2017, 7, 3</li><li>
4 U. Schreiber, C. Mayer, O. Schmitz et al., PLOS ONE 2016, doi: 10.1371/journal.pone.0177570</li><li>
5 C. Mayer, U. Schreiber, M. J. Dávila, Orig. Life Evol. Biosph. 2015, 45, 139</li><li>
6 C. Mayer, U. Schreiber, M. J. Dávila, O. Schmitz et al., Life 2018, 8, 16</li></ul>

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