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Alt 26.05.2010, 12:00   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Brachte die Chemie zwei Mal Leben hervor? - Chemie

Hatte der erste aus der chemischen Evolution hervorgegangene Organismus Geschwister? Einige Argumente sprechen dafür, dass zeitgleich mit der ersten Zelle das erste Virus aus unbelebter Materie entstand.
Das Lindauer Nobelpreisträgertreffen naht mit Riesenschritten, und mein persönlicher Höhepunkt ist natürlich der Vortrag von Jack Szostak. Der arbeitet nämlich tatsächlich an künstlichen Zellen und hat auch viel Sinnvolles über den Ursprung des Lebens zu sagen. Außerdem hat mir Alex von Alles was lebt vor einer Weile zwei Papers zukommen lassen, die sich ebenfalls mit diesem Thema beschäftigen, allerdings aus einem etwas anderen Blickwinkel.

Die Veröffentlichungen von Eugene Koonin et al. stellen die Hypothese vor, dass Viren zu den ersten Lebensformen überhaupt gehörten. Das erscheint zuerst einmal unlogisch, denn Viren können sich ohne die biochemische Maschinerie der Zellen nicht vermehren - deswegen geht man davon aus, dass Viren erst nachträglich entstanden. Es gibt allerdings die Alternative, dass Zellen und Viren von Anfang an nebeneinander evolviert sind, und zwar aus den selbstreplizierenden Erbgutschnipseln der RNA-Welt, die von vielen als wahrscheinlicher Ursprung des Lebens betrachtet wird.

Der Kern von Koonins These ist im Grunde, dass einer der entscheidenden Schritte bei der Entstehung von Organismen, die Trennung von Innen und Außen, nicht nur einmal vollzogen wurde. Außerdem wird er ein ganzes Stück nach hinten verlegt, an einen Punkt, an dem sich schon verschiedene Strategien im Kampf ums Dasein herausgebildet hatten. Das führte dazu, dass mehrere teils grundverschiedene Typen von Hülle entstehen konnten: Zellulären Membranen aus verschiedenen Lipiden einerseits und zum anderen die Eiweiß-Capside vieler Viren.

Für dieses Szenario sprechen laut Koonin vor allem die grundlegenden chemischen Unterschiede zwischen den Membranen von Eubakterien und Archaeen und der Maschinerie ihrer Bildung. Das deutet darauf hin, dass ihr gemeinsamer Vorfahr keine oder nur eine sehr rudimentäre Membransynthese kannte.[1] Dagegen scheinen die Komponenten der Proteinbiosynthese sehr alt zu sein, insbesondere die RNA-Anteile. Es ist auch eine Grundbedingung für Koonins These, dass der Mechanismus zur Bildung von Proteinen der Entstehung von Zellen vorausging, während an der Basis von allem die Replikatoren selbst stehen, die alle Lebensformen gemeinsam haben.Wie komplex war die präbiotische Chemie?
Damit kommen wir wieder zu den Viren. Koonins Szenario sieht folgendermaßen aus: Vor der Entstehung der ersten Lebewesen hatte sich eine Ansammlung von Replikatoren etabliert, die Koonin als primordialer Genpool bezeichnet. Das kann man sich durchaus bildlich als ein Gewässer vorstellen, in dem verschiedene Makromoleküle herumschwimmen, die Kopien von sich selbst erstellen und evolvieren können. Soweit entspricht das dem klassischen Replication-first-Szenario der RNA-Welt.

Der Unterschied ist der, dass im Viruswelt-Szenario die Replikator-Welt schon eine beträchtliche Komplexität aufweist, lange vor der ersten Zelle. Einige wesentliche Cluster von Replikatoren, die sich selbst aufrecht erhalten können, entstehen und werden später zu den ersten zellulären Systemen. Und schon hier spaltet sich der Stammbaum des Lebens dann grundsätzlich auf.

Einerseits sind da die Systeme aus Erbgutsträngen, die nach und nach hilfreiche Erfindungen - zum Beispiel die Proteinsynthese - entwickeln und später zu Zellen werden, und andererseits ein Schwarm opportunistischer Replikatoren, die sich ganz wie zu Beginn der RNA-Welt schlicht unter den gegebenen Bedingungen am besten vermehren - indem sie nun die die von den Zellvorläufern geschaffene Komplexität zum eigenen Vorteil zu nutzen wissen. Die Viren.

Beide Gruppen evolvierten gemeinsam in der präzellulären Replikatorenwelt, und anders als in der gängigen Vorstellung des RNA-Welt-Szenarios ist die erste Zelle eben nicht die einzige Erbin der chemischen Evolution und damit Urahnin allen Lebens. Sie bringt Geschwister mit, nämlich die parasitären Replikatoren, die sich zur Vermehrung an anderswo verfügbarer Biochemie bedienen.

Das doppelte Ur-Genom
Diese parasitären Replikatoren darf man sich dabei nicht als frei herumschwimmende Erbgutstückchen vorstellen. Vielmehr postuliert die Viruswelt-These, dass sich auch die Urahnen der Viren schnell Hilfsmoleküle zugelegt haben, nur eben völlig andere als die Zell-Urahnen. Wie das Genom des gemeinsamen Vorfahren aller Zellen sollte demnach aus modernen Zellen ein minimales Repertoire von Hilfsgenen des Ur-Virus rekonstruierbar sein, und dieser Satz von Genen muss sich grundlegend von dem der Zellen unterscheiden.

Tatsächlich lassen sich laut Koonin, das ist einer der Zentralpfeiler der These, Spuren dieser völlig anderen Abstammungslinie finden. Er listet unter anderem das große Capsid-Protein der ikosaedrischen Virionen, die Reverse Transkriptase, die RNA-abhängige RNA-Polymerase und noch ein paar andere. Diese Gruppe von Virusproteinen ist so weit über so viele unterschiedliche Virusfamilien verteilt, dass Koonin sie als gemeinsames Grundelement aller Viren aus präzellulären Zeiten ansieht.

In diesem Modell kommt der chemischen Evolution plötzlich eine viel größere Bedeutung zu als in den bisherigen Szenarien. Hier ist sie nicht nur das Vorspiel, aus dem irgendwie der erste gemeinsame Vorfahr hervorgeht, der dann tabula rasa macht. Koonin entwirft das Bild eines chemischen ökosystems, in der schon Gemeinschaften und Strategien möglich sind. Es ist, so gesehen, ein neuer Blickwinkel auf das Verhältnis von Chemie und Biologie zu Beginn der ära des Lebens. Spannend ist das allemal, und wie weit diese Vorschläge tatsächlich dazu beitragen, den Ursprung des Lebens zu erhellen, wird die Zukunft zeigen.
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[1] Allerdings deuten Rekonstruktionen des „Ur-Genoms“ des Lebens darauf hin, dass mit der H+-ATPase und Fragmenten des SRP zwei wesentliche Membranfunktionen schon im Repertoire des gemeinsamen Vorfahren allen zellulären Lebens vorhanden war.

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Koonin, E. (2009). On the Origin of Cells and Viruses Annals of the New York Academy of Sciences, 1178 (1), 47-64 DOI: 10.1111/j.1749-6632.2009.04992.x

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Quelle: Fischblog - Wissenschaft für alle

Geändert von Godwael (26.05.2010 um 12:40 Uhr)
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