Es wurde viel darüber geforscht, ob die Bausteine für die heutigen biologischen Moleküle schon früh in der Erdgeschichte synthetisiert worden sein könnten. Aminosäuren und Fettsäuren wurden in Meteoriten gefunden, was auf diese Möglichkeit hindeutet. Die frühe Erdatmosphäre hätte nur wenig Sauerstoff enthalten, so dass die meisten Bestandteile reduziert gewesen sein müssten. Sie bestand wahrscheinlich aus Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasser, ähnlich wie die Atmosphären anderer Planeten in unserem Sonnensystem. Die Zusammensetzung der frühen Atmosphäre ist nach wie vor umstritten. 1953 (im selben Jahr, in dem Watson und Crick die Struktur der doppelsträngigen DNA veröffentlichten) zeigte Stanley Miller, dass elektrische Entladungen (zur Simulation von Blitzen) in einer reduzierenden Atmosphäre über einem „simulierten Meer“ viele Aminosäuren erzeugten. Auf diese Weise wurden bis zu 11 verschiedene Aminosäuren sowie die für die Nukleinsäuren erforderlichen Purine und Pyrimidine (für die konzentrierte Reaktionsmischungen erforderlich waren) hergestellt. Adenin kann allein durch die Reaktion von Blausäure und Ammoniak in einer wässrigen Lösung hergestellt werden. Andere Nukleinsäurebasen können mit Blausäure, Cyanogen (C2N2) und Cyanoacetylen (HC3N) hergestellt werden.
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Durch diese Reaktionen entstehen keine komplexen Polymere. Im Jahr 2004 konnten Lehman, Orgel und Ghadiri jedoch zeigen, dass in Gegenwart von Schwefelkohlenstoff, einem Gas, das von Vulkanen ausgestoßen wird, Homo- und Hetero-Peptide entstehen. Amphiphile Peptide können sogar ihre eigene Bildung aus Peptidfragmenten katalysieren, wenn die Fragmente aktiviert werden. Die Fragmente würden sich durch unpolare Aktionen der Seitenketten, die entlang einer Seite der helikalen Achsen ausgerichtet sind, an das größere „Vorlagen“-Peptid binden. Wenn die Fragmente so binden, dass das elektrophile Ende an das nucleophile Ende des anderen Peptidfragments angrenzt, kommt es zur Kondensation der beiden Peptidfragmente. Das größere Template-Peptid fungiert als Template (quasi als „Enzym“), indem es die beiden Fragmente für die chemische Reaktion ausrichtet und ihre lokale Konzentration effektiv erhöht. Die Reaktion der gebundenen Fragmente erfolgt im Wesentlichen intramolekular. Die Reaktion geht sogar mit einer Verstärkung der Homochiralität einher.
Könnten die präbiotischen Aminosäuren zu einem Protein polymerisiert worden sein, das sich ähnlich wie moderne Proteine falten konnte? Diese Frage wurde kürzlich von Longo et al. (2013) untersucht. Sie stellten die Frage, ob die Aminosäuren, die in der präbiotischen Synthesemischung vom Miller-Typ und in Kometen/Meteoriten gefunden wurden (Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr und Val), eine eingeschränkte Gruppe (10) im Vergleich zu den derzeit 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren, ein faltbares Polymer bilden könnten. Man beachte, dass in dieser reduzierten Gruppe von Aminosäuren keine aromatischen und basischen Aminosäuren vorhanden sind. Diese Proteine wären sauer mit einem niedrigen pI-Wert und könnten angesichts des Fehlens unpolarer aromatischer Aminosäuren Schwierigkeiten haben, einen vergrabenen hydrophoben Kern zu bilden, der Proteine stabilisiert. Dennoch gelang es Longo et al., ein Protein mit einem leicht erweiterten Satz von Aminosäuren (12, einschließlich Asn und Gln, mit 70 % präbiotischen Aminosäuren) zu synthetisieren. Die Struktur eines der Proteine, PV2, ist unten dargestellt. Das Protein war stabiler in 2 M NaCl (im Vergleich zu 0,1 M), in dem es eine kooperative thermische Denaturierung mit einem Schmelzpunkt nahe 650 C zeigte (Differential Scanning Calorimetry). Das Protein hatte ähnliche Eigenschaften wie das von halophilen Organismen, die in hohem Salzgehalt gedeihen. Zu diesen Eigenschaften gehören ein niedriger pI-Wert und eine hohe negative Ladungsdichte, die in der salzreichen Umgebung Kationen-Protein-Wechselwirkungen ermöglichen, während die Stabilität in salzarmer Umgebung geringer ist. Frühere Ozeane waren salziger. Halophile sind ein Beispiel für Extremophile, die in der Archea stark vertreten sind. Obwohl die meisten Halophilen aerob sind, gibt es auch einige, die anerob sind. Vielleicht ist das Leben in salzreichen Umgebungen entstanden.
Abbildung: Struktur des PV2-Proteins, das aus einem reduzierten Alphabet von hauptsächlich präbiotischen Aminosäuren besteht.
Interview mit Stanley Miller
Beitragende
- Prof. Henry Jakubowski (College of St. Benedict/St. John’s University)