Neue Untersuchung zur präbiotischen Synthese von Cytidin

Angesichts der Bedeutung von Nukleinsäuren für lebende Zellen spielen diese Biopolymere auch in der Diskussion über mögliche Szenarien zur Lebensentstehung eine prominente Rolle (z. B. RNA-Welt). Dabei fällt auf, dass auch nach über 80 Jahren experimenteller Untersuchungen – wenn man Oparins Publikation von 1924 als Ausgangspunkt nimmt – noch keine Synthesen für die molekularen Bausteine einer Zelle vorgestellt wurden, von denen man annehmen kann, dass sie zufällig, ohne speziell herbeigeführte und aufrecht erhaltene Randbedingungen ablaufen könnten. Diese unbefriedigende Situation stellt für Chemiker, die sich mit der präbiotischen Chemie der Lebensentstehung beschäftigen, eine große Herausforderung dar.

Sutherland und seine Mitarbeiter haben eine Untersuchung vorgelegt, in der sie basierend auf einer Synthese, die Sanchez & Orgel (1970) veröffentlicht haben, eine alternative Synthese eines Ribosederivats (Ribose-2-aminooxazolin) beschreiben (Anastasi et al. 2006). Dabei umgehen sie die Synthese von freier Ribose; für diese Aldopentose liegt bisher keine plausible präbiotische Synthese vor und außerdem ist dieser Zucker chemisch nicht sehr stabil. Das Ribosederivat lässt sich – bei reinen Ausgangsverbindungen (!) – in erstaunlich hoher Ausbeute (44%) aus 2-Aminooxazolin und Glycerinaldehyd in wässriger Lösung gewinnen. Ribose-2-aminooxazolin ist unter den Reaktionsprodukten das am wenigsten lösliche, so dass das gewünschte Produkt durch Kristallisation gewonnen wurde. Liegt eines der beiden Enantiomeren in einem Überschuss von 60% vor, so erhalten die Autoren durch Kristallisation enantiomerenreines L- bzw. D-Ribose-2-aminooxazolin.

Durch Umsetzung von Ribose-2-aminooxazolin mit Cyanoacetylen kann man a-D-Cytidin in einer Ausbeute von 10-20% erhalten.

Nukleoside in Nukleinsäuren sind b-konfiguriert (der N-Heterocyclus ist in der ebenen Darstellung nach oben angeordet). Also muss a-D-Cytidin (Anordnung der N-Heterocyclus nach unten) in die b-Verbindung umgewandelt werden. Diese Anomerisierung – Konfigurationsumkehr an einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom – kann durch Bestrahlung herbeigeführt werden. Die Ausbeute an dem gewünschten Produkt ist allerdings sehr gering (4-6%). In einer jüngsten Studie untersuchten Sutherland et al. diese Umwandlungsreaktion mit dem Ziel, den Mechanismus zu verstehen und die Reaktion hinsichtlich der Ausbeute zu optimieren (Powner et al. 2007). Darüber hinaus wurde noch die Einführung von Phosphatgruppen untersucht. Sie werden ebenfalls zum Aufbau von Nukleinsäuren benötigt.

1H-NMR Untersuchungen lieferten Hinweise dafür, dass unter dem Einfluss der Bestrahlung die Nukleobase zerstört wird und dies ebenso wie die Abspaltung des N-Heterocyclus von der Ribose Ursachen für die geringen Ausbeuten sind. Bei der Bestrahlung von a-D-Cytidin-5’-phosphat erhielten Powner et al. (2007) das gewünschte b-Produkt in 16% Ausbeute (Sanchez & Orgel [1970]: 6%). Umfangreiche 1H-NMR Studien zeigten auch hier, dass durch die Bestrahlung die Ausgangsverbindung abgebaut und umgelagert wird, was zu starkem Ausbeuteverlust führt. Für Cytidin-3’-phosphat ist ebenfalls ein weitgehender Abbau und damit eine geringe Ausbeute zu erwarten. Die Autoren kündigen weitere Studien mit Cytidin-2’-phosphat an, bei dem die beobachteten Abbaureaktionen nicht erwartet werden.

Nach bisherigen Erkenntnissen lassen sich also Cytosin- und Cytidinverbindungen in erstaunlich guter Ausbeute unter Bedingungen synthetisieren, die als präbiotisch gelten könnten, d.h. ohne äußerst hypothetische Randbedingungen. Es entstehen dabei allerdings die falschen Raumstrukturen (a- anstatt der b-Verknüpfung). Die Resultate von Sutherland et al. zeigen, dass die Umwandlung durch Bestrahlung den größten Teil der Vorprodukte wieder zerstört. Außerdem liegen für das eingesetzte 2-Aminooxazolin derzeit noch keine Synthesen vor, die unter präbiotischen Bedingungen plausibel sind. Ein aus dem Blickwinkel der Chemie zur Lebensentstehung verheißungsvoller Weg scheint sich wieder einmal als Sackgasse zu entpuppen in dem Sinne, dass zwar eine gute Idee für eine Synthese eines Bausteines für Biomoleküle angegeben wird, die benötigten Ausgangsstoffe dabei aber vorausgesetzt werden, ohne dass eine plausible Synthese dafür vorgestellt wird. Außerdem wird die Ausbeute im Verlauf der mehrstufigen Synthese marginalisiert. Gespannt darf man auf die weiteren Ergebnisse aus der Arbeitsgruppe von Sutherland warten; werden sie Wege aus dieser Sackgasse aufzeigen können?

HB

[Anastasi C, Crowe MA, Powner MW & Sutherland JD (2006) Direct assembly of nucleoside precursors from two- and three-carbon units. Angew. Chem. 118, 6322-6325; Angew. Chem. Int. Ed. 45, 6176-6179; Powner MW, Anastasi C, Crowe MA, Parkes AL, Raftery J & Sutherland JD (2007) On the prebiotic synthesis of ribonucleosides: photoanomerization of cytosine nucleosides and nucleotides revisited. Chem. BioChem. 8, 1170-1179; Sanches RA & Orgel LE (1970) Studies on prebiotic chemistry: V. Synthesis and photoanomerization of pyrimidin nucleosides. J. Mol. Biol. 47, 531-543.]