Wurde eine RNA-Welt am Grunde des Ozeans etabliert?

Dieter Braun erforscht mit seiner Arbeitsgruppe „Systems Biophysics“ an der LMU München das Verhalten von Biomolekülen in kleinräumigen Systemen mit Temperaturgradienten. Damit versuchen die Wissenschaftler Bedingungen nachzuahmen, wie sie an hydrothermalen Quellen vorkommen, die sich in Bereichen vulkanischer Aktivität am Ozeanboden finden. Braun und seine Mitarbeiter hoffen, durch diese Untersuchungen und die daraus gewonnenen Erkenntnisse Schritte beschreiben zu können, die zu ersten Replikationssystemen mit Nukleinsäuren geführt haben könnten. Dies wäre ein bedeutender Beitrag, der die RNA-Welt-Hypothese stützen könnte. Jüngst wurden die Arbeiten von Braun mit dem hochdotierten Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis ausgezeichnet.

Braun et al. hatten Prozesse beschrieben und untersucht, bei denen in kleinräumigen Systemen mit Temperaturgradienten kreis- oder walzenförmige Strömungsmuster ausgelöst werden (Baaske et al. 2007, Mast & Braun 2010). Solche durch Temperaturgradienten verursachten Strömungen führen zum Transport von Teilchen (Thermophorese). Systeme dieser Art könnten z. B. in mit Wasser gesättigtem porösem Gestein etabliert werden. Teilchen, die in dieser Strömung transportiert werden, würden sich also regelmäßig abwechselnd in kühler und dann wieder in warmer Umgebung befinden. Temperaturwechsel dieser Art werden z. B. bei Reaktionssystemen benötigt, in denen Nukleinsäuremoleküle (DNA oder RNA) repliziert werden (z. B. in so genannten Polymerase-Ketten-Reaktionen, PCR). Bei höheren Temperaturen trennen sich die beiden Stränge der Doppelhelix der DNA. Unter kühleren Bedingungen werden dann die Einzelstränge durch synthetische Ergänzung (unter Beteiligung entsprechender Enzyme) komplettiert – sofern alle für die Reaktionen notwendigen Komponenten vorhanden sind – und sie vereinigen sich zu Doppelsträngen. Diese trennen sich dann bei höherer Temperatur erneut auf usw.

Darüber hinaus fanden Braun und seine Kollegen, dass sich in den eben beschriebenen Strömungssystemen in kleinsten Räumen (Gesteinsporen) Makromoleküle anreichern lassen. Diese Befunde wurden im Labor nachgestellt und dann theoretisch untersucht.

In den Veröffentlichungen haben Braun und seine Co-Autoren die Laborsysteme beschrieben und erklärt und dann diese Zusammenhänge auf hydrothermale Quellen am Ozeanboden („schwarze“ und „weiße Raucher“ an der Nähe der Mittelozeanischen Rücken) übertragen. Mit ihren Untersuchungen beabsichtigen die Autoren ein Modell plausibel zu machen, in dem erste Nukleinsäuremoleküle vervielfältigt und auch angereichert werden könnten. In den porösen Mineralablagerungen der Schlote am Ozeangrund, durch die heißes mineralreiches Wasser strömt und die außen von kaltem Ozeanwasser umgeben sind, könnten sich in den Poren die oben genannten

Bedingungen einstellen und die im Labor demonstrierten Prozesse abspielen – angetrieben durch den Temperaturunterschied. Modellierungen liefern sehr verheißungsvolle Resultate (Obermayer et al. 2011). Polynukleotide lassen sich tatsächlich anreichern und vervielfältigen (PCR). Braun et al. haben damit begonnen, diese Befunde für verbesserte biotechnische Prozesse zu nutzen.

Braun und seine Mitarbeiter haben mit diesen Untersuchungen Phänomene beschrieben und zumindest teilweise erklärt, die möglicherweise zu erheblichen Verbesserungen von biotechnischen Prozessen führen können. Ob jedoch die modellierten und im Labor demonstrierten Prozesse in hydrothermalen Tiefseequellen stattfinden, ob die Temperaturgradienten sich in geeigneten Bereichen ausbilden und die notwendigen chemischen Ausgangsstoffe vorhanden sind, ist bisher nicht geklärt. Außerdem zeigt die Erfahrung im Syntheselabor, dass man zur Vermehrung von Nukleinsäuren extrem reine Ausgangsverbindungen benötigt und den Ausschluss von Verunreinigungen, die die Synthese stören, gewährleisten muss. Das bedeutet: Ob die beschriebenen Vorgänge in der Natur ablaufen, ist völlig unklar und bisher nicht beobachtet. Besonders problematisch ist die genannte Frage nach der Spezifität der chemischen Prozesse. Selbst wenn erste Nukleinsäure-Oligomere in bestimmten Bereichen von hydrothermalen Schloten vorkommen sollten, ist nicht zu erwarten, dass in den Poren mit Temperaturgradienten ausschließlich die gewünschten Moleküle vorkommen. Auch andere Moleküle sollten vom Thermophoreseprozess (s. o.) erfasst und angereichert werden. Die Spezifität, die für die Etablierung von RNA-Replikation erforderlich ist, wird im Labor durch die Wahl und Vorgabe entsprechender Randbedingungen bei den Experimenten erzielt. Wie eine vergleichbare Spezifität ohne solche Vorgaben erreicht werden kann, ist bisher nicht gezeigt worden. Leslie Orgel (2008) hatte darauf hingewiesen, dass Hypothesen, die nicht einen Replikator (kopierfähige Nukleinsäure) wie RNA, sondern einen Metabolismus (Stoffwechsel) am Anfang der Lebensentstehung vermuten, an derselben Klippe scheitern: „Fehlende Spezifität scheint die Entstehung komplexer autokatalytischer Abläufe jeder Art eher zu blockieren als unzureichende Effektivität.“

H. Binder

[Baaske P, Weinert FM, Duhr S, Lemke KH, Russel MJ & Braun D (2007) Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 104, 9346-9351; Mast CB & Braun D (2010) Thermal trap for DNA replication. Phys. Rev. Lett. 104, 188102; Obermayer B, Krammer H, Braun D & Gerland U (2011) Emergence of Information transmission in a prebiotic RNA reactor. Phys. Rev. Lett. 107, 018101; Orgel LE (2008) The Implausibility of Metabolic Cycles on the Prebiotic Earth. PLoS Biol. 6, e18, doi:10.1371/journal.pbio. 0060018.]