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Die Rekonstruktion des Ursprungs

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München, 07.09.2017

Der LMU-Forscher Oliver Trapp untersucht die chemische Evolution. Wie konnte aus anorganischer Materie Leben entstehen?

Im sogenannten Hochdurchsatz-Druckreaktor kann Trapps Team Katalysatorverbindungen screenen. Foto: Jan Greune / LMU

Der blaue Planet war anfangs kein bisschen blau. Statt riesiger Wasserflächen gab es trübe, stinkende Tümpel aus flüssigem Schwefeldioxid. Auch sonst muss man sich die Bedingungen auf der Ur-Erde als reichlich unwirtlich vorstellen. Es war kalt vor vier Milliarden Jahren, die Sonne heizte die Atmosphäre nur während der sechs Stunden auf, die sie am Himmel stand, ein ganzer Tag dauerte nur zwölf Stunden. Auch herrschte ein hoher Druck, vermutlich um die 100 Bar. Die Atmosphäre war voll Wasserstoff, Sauerstoff gab es praktisch keinen. Metalle wie Eisen, Nickel und Kobalt waren in reiner Form vorhanden, Wasser kam vermutlich erst später durch Meteorite auf die Erde. „In dieser Umgebung startete die chemische Evolution des Lebens“, sagt Oliver Trapp. So trostlos die Szenerie ist, die der Professor für Organische Chemie an der LMU da beschreibt, so faszinierend ist die Frage, die sich daraus ergibt: Wie konnte diese Urwelt zum Ursprung des Lebens werden? Mit seiner Gruppe sucht Trapp nach grundlegenden chemischen Prozessen, die auf bekannte Lebensformen hinführen. Systematisch erforscht er, in welchen Schritten sich aus einfachen Molekülen komplexe Netzwerke aufbauen und welche Bestandteile dabei eine Rolle spielen. Unter hohem Druck und mithilfe von Metallen sowie dem ebenfalls vorhandenen Ammoniak bildeten sich in dieser Atmosphäre vermutlich erste organische Verbindungen: Aminosäuren, dann Zucker, später Fette. „Wir beginnen gerade zu verstehen, wie aus anorganischem Material organisches Leben entsteht – ein Wendepunkt in der Chemie“, so Trapp. „Wir haben jetzt ausreichend gute analytische Methoden, um solche Systeme genau zu beobachten, und auch die Rechenleistung, um komplexe Prozesse zu simulieren.“

Die Forscher wollen so eine Art molekulares Baukastensystem nachbilden, in dem die Bauteile mit jedem Schritt vielfältiger und die Zusammenhänge mit jeder Entwicklungsstufe komplexer werden. Am Ende hätten die Forscher nicht nur die Ausgangsstoffe und die Produkte, sondern auch die Prinzipien und Schritte der chemischen Reaktionen – ein regelrechtes Handbuch der chemischen Evolution, das den Bau der DNA sowie anderer zellulärer Bestandteile und schließlich der ganzen Zelle erklären könnte. Es ist nicht eben leicht, dieses Puzzle zusammenzusetzen. Damit etwa eine Zelle funktionstüchtig ist, muss sie drei Aufgaben erfüllen können: Moleküle synthetisieren, Informationen speichern sowie Energie speichern und umwandeln. Sie braucht also einen Bauplan, sie braucht Energielieferanten und das nötige Baumaterial. Auf Systemebene gibt es ebenfalls eine Reihe von Grundprinzipien, ohne die nichts läuft: Prozesse müssen sich selbst verstärken, um stabile Systeme zu erhalten, Moleküle müssen sich vervielfältigen und Fehler korrigiert werden. In der Evolution hat sich dafür eine große Zahl von Verfahren ausgeprägt. „Das Kopieren von Information“, stellt Trapp klar, „war nicht erst mit der ersten DNA möglich, sondern schon mit Kohlenstoff-Ketten.“

Woher stammte eigentlich Ammoniak?
Die Forscher kommen mit dieser Rekonstruktion langsam, aber stetig voran. So haben sie mittlerweile erkannt, dass etwa die Metalle, die in der Regel enorm reaktionsfreudig sind, auf der Ur-Erde eine große Bedeutung hatten. Sie kamen mit Meteoriten relativ früh auf die Erde und konnten Prozesse auslösen, auf denen in der technischen Chemie die klassische Fischer-Tropsch-Synthese beruht, sagt Trapp. Dabei handelt es sich um ein Katalyse-Verfahren, bei dem man mit Kohlendioxid und Wasserstoff längerkettige Alkohole oder Aldehyde aufbaut, aus denen sich dann etwa Fette bilden können. Trapp glaubt, dass solche Prozesse schon vor vier Milliarden Jahren auf der Ur- Erde abliefen und zu ersten, einfachen organischen Verbindungen führten. „Die Katalyse ist für die Entstehung des Lebens ganz entscheidend“, so Trapp. Sie beschleunigt chemische Reaktionen und begünstigt zudem, dass dabei vornehmlich nur eine von zwei möglichen Produktvarianten entsteht, die sich in ihrer räumlichen Anordnung unterscheiden. Chemiker sprechen von Chiralität, der Händigkeit eines Moleküls.

Wenn man Trapp von den Vorstufen des Lebens berichten hört, von Elementen und ihrem Bindungsverhalten, von Katalyse und der Chiralität der beteiligten Moleküle, wird schnell klar, dass es sich hier kaum nur um einfache Reaktionen klar definierter Bindungspartner gehandelt haben kann. „Es ist alles viel komplizierter“, räumt Trapp ein. An der Schwelle zum Leben spielten hochkomplexe Reaktionsnetzwerke eine zentrale Rolle, Netze von Verbindungen also, die gleichzeitig miteinander reagieren oder zumindest interagieren. „Es sind hochdynamische Systeme, bei denen im Extremfall ein einzelnes Molekül entscheiden kann, was passiert. Für einen Chemiker ist das eigentlich ein Gräuel“, sagt Trapp und lacht. Um nun herauszufinden, wie das erste lebende System tatsächlich entstanden sein könnte, starten die Forscher mit der Rekonstruktion kleiner Moleküle und überlegen sich dann, was aus ihnen unter welchen Bedingungen entstehen könnte. Zentral sind die Basiselemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Phosphor. Dazu kommen chemische Prinzipien wie das der Wasserstoff-Brückenbindung.

Bei der Entstehung der ersten Aminosäuren ist eine der großen Fragen, woher das benötigte Ammoniak eigentlich stammte. Trapp entwirft hier eine komplexe Kette von Reaktionen, ausgehend von Stickstoff, das mit wenig Sauerstoff oxidiert und dann wieder reduziert werde, was in Anwesenheit von Eisen gut gelinge, das Ammoniak wiederum könne mit den Aldehyden reagieren. Bei all dem, sagt Trapp, sei das Wasser sehr viel später ins Spiel gekommen.

Bei dieser Art der Rekonstruktion ergänzen sich Modellierung und Experiment. Ziel ist es, all diese Schritte im Laborversuch nachzustellen, allmählich den Komplexitätsgrad zu steigern und sich möglichst exakt an den Reaktionsbedingungen zu orientieren, die auf der Erde vor mehr als vier Milliarden Jahren geherrscht haben. Die genauen Daten liefern Astrophysiker. „Diese Zusammenarbeit ist extrem wichtig“, sagt Trapp. Es sei eben ein Unterschied, ob 100 Bar Druck an der Erdoberfläche herrschten oder nur 1 Bar wie heute, ob Wasser in der Atmosphäre vorhanden war und damit auch Sauerstoff oder eben nicht. Auch die Chemie von Meteoriten zu verstehen, sei extrem wichtig. Noch ist darüber zu wenig bekannt, dabei könnten sie der jungen Erde möglicherweise genau die Moleküle gebracht haben, die später für die Entstehung des Lebens wichtig waren. Lange Zeit suchten Forscher eher nach Spuren von Aminosäuren, Zuckern oder Nukleobasen, erst jetzt geraten auch Metallverbindungen als mögliche Schlüsselmoleküle stärker in den Blick.

Um den richtigen Eisen- und Cobalt-Gehalt zu bestimmen, besorgten sich Trapp und seine Mitarbeiter Meteoritengestein. Sie mahlten es klein und analysierten die Bestandteile. Zu 92,6 Prozent bestand das Gestein aus Eisen, zu 6,8 Prozent Nickel und zu 0,43 Prozent aus Kobalt, dazu kam ein Hauch von Iridium. „Diese Materialien kamen teilweise nach der Passage durch die Atmosphäre als hochaktive Nanopartikel auf der Erdoberfläche an, das wäre ein guter Start für die chemische Evolution gewesen“, sagt Trapp.

Jedes Detail hat für diese Rekonstruktion eine Bedeutung, auch der Energiehaushalt der Erde mit dem Vulkanismus und der wechselnden Sonneneinstrahlung spielte eine zentrale Rolle. All das soll in die Versuche einfließen. „Wir wollen ein Miller-2.0-Experiment mit möglichst realen Bedingungen aufbauen“, sagt Trapp. Die hohen Drücke stellen die Forscher in Hochdruckautoklaven nach, Energie liefert intensives UV-Licht, auch flüssiger Schwefelwasserstoff muss dazukommen, wegen der hohen Vulkanaktivität auf der frühen Erde. Die entscheidende Frage ist, unter welchen Bedingungen sich ein stabiles System entwickelt.

Wann entwickelt sich ein stabiles System?
Der berühmte Versuch von Stanley Miller elektrisiert bis heute die Chemiker, die sich mit dem Ursprung des Lebens beschäftigen. Der US-amerikanische Biochemiker war der Erste, der zu verstehen versuchte, wie sich aus anorganischen Verbindungen in einer künstlichen Uratmosphäre schließlich organische Moleküle bilden. Miller setzte dafür vermutete Urkomponenten wie Ammoniak, Wasserstoff, Methan und Wasser elektrischen Funkenentladungen aus, diese sollte Blitze simulieren. Nach einer Woche bildete sich in einer wässrigen Umgebung ein komplexes Gemisch organischer Verbindungen. „Ein tolles Experiment“, sagt Trapp. „Allerdings waren die angenommenen Anfangsbedingungen falsch.“ Der Druck und der Wasserstoffanteil in der Atmosphäre waren in Wirklichkeit deutlich höher, auch deren Zusammensetzung war insgesamt anders.

Es gab noch etwas, das nicht stimmte: die Chiralität der entstandenen Moleküle, also die Händigkeit. Es gab bei Miller eine Mischung von Molekülen beider räumlicher Anordnungen, von den Chemikern Drehsinn genannt. „Unsere Welt aber ist homochiral“, sagt Trapp: Viele chemische Verbindungen existieren in zwei zueinander spiegelbildlichen Formen, die sich in ihrer räumlichen Ausrichtung wie linke und rechte Hand unterscheiden. L und D nennt man die Formen. „Die Natur jedoch entscheidet sich für eine“, sagt Trapp. „Sonst könnten wir nicht leben.“ Die Händigkeit ist bei Reaktionen entscheidend dafür. „Das ist wie Schlüssel und Schloss“, sagt Trapp. Passt es nicht zusammen, ergibt sich keine Verbindung.

Chiralität ist ein wichtiges Prinzip. Die Natur ist da radikal, alle falschen Varianten werden gnadenlos aussortiert. Prinzipiell könnte die Welt auch komplett spiegelverkehrt sein, auf molekularer Ebene betrachtet, nach außen hin sähe eine chemisch spiegelbildliche Welt identisch aus. Eine Mischung jedoch, sagt Trapp apodiktisch, ist nicht möglich.

Ein weiterer Schwerpunkt seiner Forschung sind Fragen der technischen Katalyse. „Man kann dabei viel aus den Grundprinzipien der Natur lernen“, sagt Trapp. Zum Beispiel entwickelte er einen dynamischen Metallkatalysator, der sich der Händigkeit von Molekülen anpasst. Der neue Katalysator interagiert mit den Produkten der Katalyse. Sobald er deren Chiralität erkannt hat, passt er sich rasch an und ändert seine Ausrichtung in Bruchteilen von Sekunden, wie Trapps Team jüngst im renommierten Fachblatt Nature Chemistry berichtete. „Wir waren überrascht, wie schnell er reagiert“, sagt Trapp. Für die Pharmaforschung haben diese dynamischen Prozesse eine große Bedeutung. Oft liegen die Moleküle als Gemisch vor und lassen sich auch nur mit großem Aufwand sortenrein herstellen. Die Spiegelbilder der chiralen Wirkmoleküle von Medikamenten haben oft verschiedene Eigenschaften. Das ist ähnlich wie bei Duftstoffen, bei Carvon etwa riecht eine Form nach Minze, die andere nach Kümmel. Bei Medikamenten sind die Auswirkungen dramatischer: Während beispielsweise L-Dopa sich als Parkinson- Medikament gegen den Dopamin-Mangel einsetzen lässt, hat sein Spiegelbild D-Dopa diese therapeutische Wirkung nicht. Manche Spiegelbilder sind sogar schädlich. Das haben schwangere Frauen einst leidvoll bei Contergan erfahren: Die eine Form wirkte als Beruhigungsmittel, die andere löste schwere Missbildungen der Föten aus. Das verkaufte Mittel enthielt beide Varianten, die sich auch noch dynamisch ineinander überführen lassen.

Mittlerweile muss vor der Arzneimittelzulassung die Händigkeit mitgetestet werden und auch, ob sich eine chirale Form im Körper in die andere umwandeln kann. Bei der Synthese der entsprechenden Wirkstoffe muss sichergestellt sein, dass nur Moleküle mit der gewünschten Händigkeit gebildet werden. „Das Tolle bei unserem Katalysator ist, dass das automatisch abläuft“, sagt Trapp.

So tasten sich die Grundlagenforscher Stück für Stück in die Urwelt vor, entwerfen immer komplexere Modelle. „Wir arbeiten an der LMU daran, schließlich eine erste Zelle künstlich nachzubauen“, sagt Trapp. Und nach der Entdeckung gleich einer ganzen Reihe von Exoplaneten rund um den Stern Trappist- 1 vor Kurzem liegt die Frage nahe, ob es dort ganz andere Lebensformen geben könnte. „Ja”, sagt Trapp, „aber keine auf Silizium- Basis, wie manche annehmen. Das wäre eine Welt vielleicht mit einer anderen Chiralität, aber auf jeden Fall ähnlichen Verbindungen. Die Chemie ist überall im Universum die gleiche.“ Mehr Gedanken mache er sich darüber, was passierte, wenn beide Welten aufeinanderträfen. „Die stärkere würde sich durchsetzen“, sagt Trapp, „nur eine Chiralität kann überleben.“

 

Prof. Dr. Oliver Trapp ist Inhaber eines Lehrstuhls für Organische Chemie an der LMU und Max-Planck-Fellow am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Trapp, Jahrgang 1973, studierte Chemie an der Universität Tübingen, wo er auch promovierte. Er war Postdoktorand an der Stanford University, USA, und Leiter einer DFG-finanzierten Emmy-Noether- Gruppe am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Er habilitierte sich an der Universität Bochum und war Professor für Organische Chemie an der Universität Heidelberg, bevor er 2016 an die LMU kam. 2010 zeichnete ihn der Europäische Forschungsrat (ERC) mit einem seiner hochdotierten Starting Grants aus.


einsichten_01_2017_titel_130_webMit Glaubensfragen setzen sich LMU-Forscher aus ganz unterschiedlichen Blickwinkeln auseinander. Das zeigt das neue Heft des LMU-Forschungsmagazins Einsichten. Der Religionswissenschaftler Robert Yelle geht dem langen Weg in die Säkularisierung nach. Der Historiker Michael Brenner zeichnet nach, wie das Judentum im Austausch mit vielen anderen Kulturen die Weltgeschichte mitprägte. Der Moraltheologe Christof Breitsameter skizziert ein zeitgemäßes theologisches Konzept für den Begriff der Liebe. Der Judaist Ronny Vollandt sowie die Kirchenhistoriker Martin Wallraff und Patrick Andrist gehen verschlungenen Wegen der Bibelüberlieferungen nach. Die Kunsthistorikerin Chiara Franceschini analysiert Deutung und Diskurse sakraler Kunst. Der Politikwissenschaftler Karsten Fischer, der Historiker Martin Schulze Wessel und der Kommunikationswissenschaftler Carsten Reinemann schließlich untersuchen das Wesen der Populisten und den Glauben an ihre Politikversprechen.

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