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CAS Research Group

Die Evolution der Moleküle

München, 20.07.2018

Der Biophysiker Dieter Braun untersucht in Experimenten, wie das Leben und seine Vorstufen auf der Erde entstehen konnten. Jetzt leitet er eine Arbeitsgruppe am Center for Advanced Studies – und weitere interdisziplinäre Prestigeprojekte an der LMU.

Vulkanisches poröses Gestein, umflossen von heißem Wasser - so könnte das grundsätzliche Setting für das Entstehen erster größerer Moleküle aus RNA oder DNA ausgesehen haben. Foto: Picture Alliance/ABACA

Sie erforschen den Ursprung des Lebens. Woher kommt es? Was ist Ihre Ur-Idee zum Ursprung?
Braun: Bevor Lebewesen, auch einfachste Organismen entstehen konnten, das also, was man landläufig Leben nennt, muss eine Menge auf der Erde passiert sein. Der biologischen Evolution, in der sich Organismen entwickeln, ist eine chemische vorausgegangen – eine Evolution der Moleküle. Wie konnte in dieser molekularen Evolution, das ist unsere zentrale Forschungsfrage, biologische Information entstehen? Unser Blickwinkel ist der von Physikern: Wie konnten präbiotische Systeme, Systeme zudem, die nicht in einem Gleichgewichtszustand sind, das ermöglichen? Anfangs waren es zunächst einzelne kleine Bausteine, Moleküle, die erst einmal Polymere bilden mussten, RNA oder DNA – die Großmoleküle, in deren Sequenz biologische Information steckt. Schon das ist ein Prozess, der nicht spontan abläuft, sondern durch die Umgebung erzwungen werden muss. Weil wir schon einzelne Schritte im Labor nachvollziehen konnten, haben wir mittlerweile eine ziemlich genaue Vorstellung davon, wie diese Umgebung ausgesehen haben könnte: Hydrothermale Quellen am Meeresgrund, aus denen heißes Wasser austritt, aber auch vulkanisches Gestein, das von heißem Wasser umflossen ist, bildeten das grundsätzliche Setting: Es bietet kleinste wassergefüllte Gesteinsporen, in denen große Temperaturunterschiede herrschen. Das zusammen ist eigentlich schon alles, was es braucht, um das System grundsätzlich anzutreiben – von der physikalischen Seite her.

Wie schaffte die Materie nach Ihren Vorstellungen den Übergang vom Unbelebten zum Belebten?
Belebt, unbelebt – was überhaupt Leben ist, das herauszufinden, ist nebenbei bemerkt auch ein Ziel dieser Forschung. Da wird es verschiedene Antworten geben. Die einen werden sagen: Es muss eine – biologische – Zelle geben, dann ist es lebendig. Andere werden sagen, Moleküle, die eine Evolution im Darwinschen Sinne mit offenem Ende durchlaufen können, sind auch schon lebendig.

Und die ersten Schritte dieser molekularen Evolution sind von Temperaturunterschieden angetrieben?
Ja, dabei passieren mehrere Dinge gleichzeitig. Zum einen werden Moleküle angehäuft, akkumuliert, das hat damit zu tun, dass sich Moleküle in einem Temperaturgefälle von Warm nach Kalt bewegen. Doch nicht nur die Moleküle bewegen sich im Wasser, aufgrund der Konvektion entsteht auch eine Strömung des Wassers. Es steigt auf, wenn es warm ist, und steigt ab, wenn es kalt ist. Sind die Poren klein genug, etwa 0,2 Millimeter, entsteht darin eine Kopplung: Die Moleküle, die ohnehin zur Kälte tendieren, werden zusätzlich vom Konvektionsfluss dorthin getrieben – das schafft eine tausendfach, millionenfach verstärkte Akkumulation. In dieser hohen Konzentration entwickeln die Moleküle am ehesten die Fähigkeit zu polymerisieren. Die Hypothese ist, dass so letzten Endes auch RNA-Polymere entstehen.

Wie geht es nach diesem Szenario dann weiter?
Der nächste Schritt ist die Vervielfältigung der Information. Dazu müssen sich die doppelsträngige RNA oder DNA in ihre Einzelstränge auftrennen können, an den Einzelsträngen lagern sich die komplementären Bausteine an, es entstehen zwei Doppelstränge – im Prinzip wie in den Zellen von Organismen auch. So lassen sich die Sequenz und damit die Information an zwei Tochtermoleküle weitergeben, bevor das Muttermolekül degradiert. Für das Aufschmelzen in die beiden Einzelstränge, so viel ist mittlerweile klar, braucht es keine Enzyme, das kann auch dank des Temperaturgradienten geschehen. Es entsteht eine regelrechte Oszillation: Die Moleküle machen sozusagen Ausflüge in die Wärme, schmelzen dort auf, und wandern zurück in die Kälte, wo sich neue Bausteine anlagern. Mit jedem Konvektionszyklus und der richtigen Chemie lässt sich die Zahl der Moleküle verdoppeln. Wenn das gut funktioniert, ist das fast so wie mit den Reiskörnern auf dem Schachbrett: Die Zahl der Moleküle explodiert – eine exponentielle Replikation ähnlicher Sequenzen.

Sie haben über die vergangenen Jahre eine ganze Reihe von mechanistischen Details zusammengetragen, die Ihre Thesen stützen können. Wie passen diese Puzzlestücke zusammen?
Wir möchten das Ursprungsszenario weiter ausarbeiten, dafür haben wir jetzt auch einen weiteren Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) bekommen. Wir würden in der Tat gerne ein Evolutionsexperiment im Reagenzglas machen. Starten möchten wir mit drei Molekülen: zwei komplementären Basen, zum Beispiel A und T, für die DNA und dem Kleber EDC, die die Basen aneinanderheften kann; von dieser Substanz kann es präbiotische Entsprechungen gegeben haben. Normalerweise kann EDC etwa eine Handvoll Basen zusammenschweißen. In unserer Temperaturfalle, in dem sich die Bausteine so dicht anhäufen, erwarten wir deutlich größere Polymere. Es entstehen dann regelrechte Gele aus RNA und DNA in der Größe von Millimetern.

Was ist daran eine Evolution?
Das Interessante ist: Die Gelbildung markiert einen Phasenübergang, ähnlich wie den zwischen flüssig und fest. Und dieses physikalische Phänomen bewirkt, dass sich diese DNA- oder RNA-Moleküle nach ihren Sequenzen sortieren: Es wird Sequenzen geben, die verknüpfen sich nicht zum Gel, sie werden heraus fließen, sie werden einzelsträngig bleiben und darum viel, viel schneller degradieren. Und dann gibt es diese anderen Moleküle, die mit ähnlichen Molekülen zu Gelen verschmelzen. Das ist also sozusagen ein erster neuer Phänotyp: der Gelbildner. Er ist gegenüber den anderen Erscheinungsformen groß wie die Dinosaurier, hat damit grundsätzliche Überlebensvorteile und kann in Poren hängenbleiben und viel stabilere Komplexe ausbilden. Das heißt: Man kann allein durch einen physikalischen Phasenübergang Sequenzen aus einem zufälligen Gemisch herauslesen – ein Selektionsprozess. Gleichzeitig triggert EDC eine Kettenreaktion, die sozusagen ein zyklisches Wachstum in Gang setzt. Nur wenn die beiden Molekülabschnitte die gleiche Information haben, können sie sich dafür passend aneinander lagern. Die Moleküle wachsen, die thermische Falle selektiert auf Länge. Und so kann die Sequenz weiterleben, weil sie ein Template, eine Matrize hat. Wir erwarten mit dem Experiment die ersten Darwinschen Evolutionszyklen – in einem physikalischen System, in dem allein Temperaturunterschiede das Nicht-Gleichgewicht aufrechterhalten.

Am Center for Advanced Studies der LMU (CAS) leiten Sie jetzt eine neue Research Group, die über ein Jahr läuft und zu der Sie Experten aus aller Welt eingeladen haben. Wie und woran arbeiten Sie in diesem Format mit den Fellows?
Es kommen Wissenschaftler, die sich eher am experimentellen Arbeiten orientieren. Mit ihnen wollen wir neue Versuche aufsetzen. Sie bringen beispielsweise eine Substanz mit, mit der wir in unserem System einen sogenannten Redox-Gradienten aufbauen wollen, der Moleküle nach ihrer Fähigkeit sortiert, in einer chemische Reaktion Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Es geht aber auch um programmatische Diskussionen, etwa darüber, welche Hypothesen sich im nächsten Schritt zu untersuchen lohnen. Was das Forschungsfeld immens belebt hat, ist die Tatsache, dass sich heute viel mehr Forscher darum bemühen, Experimente zu integrieren. Bis vor nicht langer Zeit hieß es noch: Wenn ich etwas im Rechner theoretisch simuliert habe, dann habe ich es erklärt. Dieses Stadium haben wir hinter uns gelassen. Und dadurch, dass sich Theorie und Experiment jetzt tatsächlich eng verzahnen, können wir viel besser die anstehenden Fragen formulieren. Dafür ist der internationale Austausch enorm wichtig. Mit dem ERC Grant, einem neuen Sonderforschungsbereich (SFB/TRR), den wir mit der Finanzierung der Deutschen Forschungsgemeinschaft zwischen Technischer Universität München und LMU aufbauen, und auch der CAS Research Group hoffen wir, das Thema in München fest zu etablieren.

Wie das Leben auf die Erde kam – die Indizienkette des Ursprungs lässt sich ja weiter bis zu den Anfängen zurück verlängern. Der Astrophysiker Andreas Burkert von der Universitätssternwarte hat das kürzlich so formuliert: „Wir sind tatsächlich Sternenstaub“. Was ist da dran? Und wie eng sehen Sie den Link Ihrer Arbeiten zu denen aus Astronomie und verwandten Disziplinen?
Beim SFB/TRR hören wir sozusagen mit der Geologie auf: Was kann im Gestein, dem Sternenstaub, wenn man so will, alles passiert sein? Wenn wir in der Zeit aber noch weiter zurückgehen, schließen sich weitere Fragen an: Was unterscheidet die Erde von allen anderen Millionen Planeten? Wie können Moleküle aus dem Weltall auf die Erde gelangt sein? Und ist all das relevant für den Ursprung des Lebens? Da gibt es zwei Schulen: Die eine Fraktion sagt, es sei alles kaputtgegangen, als der Mond in der jetzigen Form nach der Kollision mit der Ur-Erde entstanden ist. Die Erde musste quasi neu starten und danach alles selber generieren. Die andere meint, Kometen und Meteoriten hätten relativ viel Moleküle hereingebracht. Das wird heiß diskutiert. Aber ich glaube, man hat dabei möglicherweise noch ein paar Fragen vergessen: Als der Mond entstanden ist, gab es eine lange Phase, in der sehr extreme Bedingungen auf der Erde geherrscht haben, könnte es sein, dass die Entstehung des Mondes essenziell war für die Entstehung des Lebens? Wenn man noch weiter zurückgeht: Wie früh könnte das Element Phosphor entstanden sein, ohne das kein Leben denkbar ist? Phosphor stammt ja nicht aus den ersten Sonnen, sondern erst aus – späteren – Supernova-Explosionen. Die Erde ist 4,5 Mrd. Jahre alt, hätte es schon früher Möglichkeiten dazu gegeben? Wir hoffen, diese Fragen mit den Partikelphysikern und Astrophysikern, die bei „Origins“, einem Antrag für die Exzellenzinitiative, beteiligt sind, bearbeiten zu können. Es war fantastisch, als Andreas Burkert uns gefragt hat, ob wir nicht dabei sein wollen. Wir Biophysiker docken damit an die Expertise von Astronomen etwa und Astrophysikern an, die die Entstehung des Universums untersuchen, und erweitern so diese Ausrichtung. Für uns die einmalige Chance, die Interdisziplinarität unseres Feldes so zu auszudehnen, dass wir wirklich allen Indizien in der Detektivgeschichte, wie das Leben entstanden ist, nachgehen können. Wenn der Antrag Ende September durchgeht und wir das einigermaßen gut organisieren, sind wir durch diesen Verbund an Forschern weltweit sehr konkurrenzfähig, wenn nicht einzigartig.

 

braun_130_webProf. Dr. Dieter Braun ist Professor für Systems Biophysics an der LMU.