Stellen Sie sich vor: Es ist die Erde, vor etwa vier Milliarden Jahren. Noch keine Zellen. Keine Membranen, die irgendetwas einschließen. Nur eine wirbelnde, heiße, chemisch feindliche Suppe aus Molekülen. Und irgendwie, irgendwo, muss RNA – das Molekül, das genetische Anweisungen trägt – überleben, andere RNA-Moleküle finden und die Chemie in Gang setzen, die schließlich zum Leben führen sollte, so wie wir es kennen.
Wie genau ist das passiert? Es ist eines der größten Rätsel der Wissenschaft, und ehrlich gesagt ist die Tatsache, dass wir hier sind und uns darüber wundern, ziemlich verblüffend, wenn man an all die Widrigkeiten denkt, die überwunden werden mussten.
Nun, Forscher der University at Buffalo haben gerade etwas Faszinierendes entdeckt, das helfen könnte, all das zu erklären. Und stellen Sie sich vor – es kommt auf buchstäblich EIN Sauerstoffatom an.
Das Huhn-und-Ei-Problem des frühen Lebens
Hier ist die Sache mit der RNA: Sie ist fragil. Setzen Sie sie zu viel Hitze, Säure oder aggressiven Chemikalien aus, und sie zerfällt. Auf der frühen Erde waren diese Bedingungen allgegenwärtig.
Aber RNA muss auch mit anderen RNA-Molekülen interagieren, um etwas Interessantes zu bewirken – wie Replikation, Katalyse von Reaktionen oder schließlich die Entstehung der ersten Proteine und letztlich der DNA. Bevor es Zellen gab, gab es keine Membran, die RNA-Moleküle an einem Ort zusammenhielt. Sie würden einfach im weiten Ozean diffundieren und kaum je aufeinandertreffen.
Wie konnte RNA also organisiert genug werden, um das Leben in Gang zu bringen?
Die Tropfen kommen ins Spiel
Wissenschaftler vermuten seit einiger Zeit, dass RNA möglicherweise eigene schützende Kompartimente gebildet hat – Tropfen, die wie winzige flüssige Bläschen ohne Membran wirken. Stellen Sie sich Öltropfen in Salatdressings vor, aber aus RNA und Wasser.
Diese Tropfen könnten RNA-Moleküle an einem Ort konzentrieren und so die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sie interagieren. Sie würden auch einen gewissen Schutz vor der rauen Umgebung bieten. Die Frage war: Warum ist RNA so gut darin, diese Tropfen überhaupt zu bilden?
Hier setzt die neue Forschung an.
Ein kleines chemisches Geheimnis
Was mich an dieser Studie absolut fasziniert, ist Folgendes: RNA und DNA werden oft als ähnliche Moleküle beschrieben – DNA ist der Langzeitspeicher, RNA der Boten. Chemisch unterscheiden sie sich jedoch nur durch ein kleines Merkmal.
Jede Zuckereinheit in der RNA besitzt eine sogenannte 2'-Hydroxylgruppe (kurz 2'-OH). Der Zucker in der DNA hat diese nicht – dort sitzt stattdessen nur ein Wasserstoffatom. Wir sprechen also buchstäblich von einem einzigen Sauerstoffatom, das an ein Wasserstoffatom gebunden ist und RNA nur geringfügig komplexer macht als DNA.
Ein. Sauerstoffatom.
Das ist alles.
Und doch scheint dieser kleine Unterschied entscheidend dafür zu sein, ob RNA diese schützenden Tropfen bilden kann.
Die Experimente, die alles offenlegten
Das Forschungsteam verglich das Verhalten von RNA und DNA beim Erhitzen. Sie verwendeten für beide dieselben genetischen Sequenzen, sodass der einzige Unterschied das Sauerstoffatom war.
Das Ergebnis war bemerkenswert: RNA begann, Tropfen bei Temperaturen zu bilden, die etwa 10 °C niedriger lagen als bei DNA. Zehn Grad mögen nicht viel klingen, aber in der Chemie ist das tatsächlich enorm. Es bedeutet, dass RNA eine wesentlich stärkere Tendenz hat, zu kondensieren und diese Strukturen zu bilden.
Aber es wird noch interessanter.
Wenn RNA Tropfen bildete, verbanden sich die Moleküle im Inneren miteinander und schufen vernetzte Strukturen. Als diese Netzwerke wuchsen, veränderten sich die Tropfen von flüssig – wie dünnflüssiger Honig – zu etwas Gel-artigem. Dieser gelartige Zustand könnte einen noch besseren Schutz für die RNA im Inneren bieten, ähnlich wie manche Organismen schützende Überzüge nutzen, um raue Bedingungen zu überleben.
Warum ist ein Sauerstoffatom so wichtig?
Die Wissenschaftler forschten tiefer, um den Mechanismus hinter diesem Unterschied zu verstehen. Mithilfe von fortschrittlichen Bildgebungstechniken und Molekülsimulationen entdeckten sie, dass die 2'-OH-Gruppe zwei wichtige Dinge bewirkt.
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