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Metabolismus ist das „schlagende Herz der Zelle“. Neue Forschungsarbeiten des ELSI zeichnen die Geschichte des Stoffwechsels von der Urerde bis zum heutigen Tag nach (von links nach rechts). Die Geschichte der Entdeckung von Verbindungen im Laufe der Zeit (weiße Linie) ist zyklisch, fast wie ein EKG. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/Francis Reddy/NASA/ESA)

Ein fehlendes Stück der evolutionären Zeitachse der Erde könnte gefunden worden sein. Mithilfe von Computermodellen untersuchte ein Team von Wissenschaftlern, wie man ausgehend von der modernen Biochemie rückwärts arbeiten kann, um herauszufinden, wie aus einfachen, nicht lebenden Chemikalien, die auf der frühen Erde vorhanden waren, komplexe Moleküle entstanden sind, die zur Entstehung des Lebens, wie wir es kennen, führten.

Forscher glauben, dass sich der moderne Stoffwechsel – die lebenserhaltenden biochemischen Prozesse, die in Lebewesen ablaufen – aus der primitiven geochemischen Umgebung der Urerde entwickelt hat, indem er auf verfügbare Materialien und Energiequellen zurückgriff. Dies ist zwar ein interessanter Gedanke, aber es fehlen noch Beweise für den Übergang von der primitiven Geochemie zur modernen Biochemie.

Vorangegangene Modellierungsstudien haben wertvolle Erkenntnisse geliefert, sind aber immer wieder auf einen Haken gestoßen: Ihre Modelle der Evolution des Stoffwechsels haben durchweg viele der komplexen Moleküle, die vom modernen Leben verwendet werden, nicht hervorgebracht – und der Grund dafür ist nicht klar.

Besonders ungewiss ist die Kontinuität in dieser Stoffwechselzeitlinie, insbesondere das Ausmaß, in dem alte biochemische Prozesse, die im Laufe der Zeit verschwunden sein könnten, die heute bekannten Stoffwechselprozesse geformt haben.

„Insbesondere wurden chemische Reaktionen, die nichts mit der Biochemie zu tun haben, als fehlende Schritte in frühen Biosynthesewegen angeführt, was darauf hindeutet, dass Aufzeichnungen über diese chemischen Umwandlungen im Laufe der Evolutionsgeschichte verloren gegangen sind“, schrieb das Studienteam vom Tokyo Institute of Technology und dem California Institute of Technology in einem Papier, das das neue fehlende Glied beschreibt. „Es bleibt unklar, inwieweit die ‚ausgestorbene‘ Biochemie notwendig ist, um die Entstehung des modernen Stoffwechsels in der frühen Erdumgebung zu ermöglichen.

Ein metabolisches Rätsel

Um dieses Rätsel zu lösen, versuchten die Wissenschaftler, mögliche Evolutionspfade zu modellieren, die den modernen Stoffwechsel von seinen frühen Vorläufern auf der Erde bis in die heutige Zeit geführt haben könnten. Sie untersuchten daher die biochemische Evolution auf der Ebene der Biosphäre, d. h. auf der Ebene eines ganzen Ökosystems, und berücksichtigten Einflüsse und Faktoren wie die geochemische und atmosphärische Umgebung sowie die möglichen Wechselwirkungen zwischen Organismen.

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„Es gibt seit langem die Hypothese, dass die Wurzeln der Biochemie in der Geochemie der frühen Erde liegen“, sagte Seán Jordan, außerordentlicher Professor für Biogeochemie und Astrobiologie an der Dublin City University, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Vermutung, dass Reste alter Stoffwechselwege in der modernen Biosphäre verborgen und noch unentdeckt sein könnten, ist faszinierend und spannend.“

Das Team nutzte die Datenbank Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, in der etwas mehr als 12.000 biochemische Reaktionen katalogisiert sind, als Modellspeicher für alle möglichen biochemischen Reaktionen, die während der untersuchten Zeitspanne stattgefunden und sich entwickelt haben könnten. Die Forscher simulierten dann die Entwicklung eines chemischen Reaktionsnetzwerks, ausgehend von einer Reihe von Ausgangsverbindungen, die auf der frühen Erde zu finden gewesen wären. Dazu gehörten verschiedene Metalle und anorganische Moleküle wie Eisen, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak sowie organische Substrate, die durch alte kohlenstoffbindende Reaktionen entstanden sein könnten.

„Die Verwendung eines Netzwerkerweiterungsalgorithmus, um den Weg von der frühen Geochemie zu komplexen Stoffwechselnetzwerken nachzuzeichnen, scheint ein solider, iterativer Ansatz für diese Frage zu sein“, so Jordan.

Doch wie bei anderen Modellierungsexperimenten gelang es dem Modell der Forscher zunächst nicht, auch nur einen Bruchteil der Moleküle zu reproduzieren, die in modernen biochemischen Prozessen verwendet werden, so dass die überwiegende Mehrheit von den Ausgangsverbindungen nicht erreicht werden konnte. In der Annahme, dass diese Ergebnisse begrenzt waren, weil der Datensatz nur bekannte, katalogisierte biochemische Reaktionen enthielt, erweiterten die Forscher die Kyoto-Datenbank um eine Reihe hypothetischer biochemischer Reaktionen und fügten 20.183 neue Pfade hinzu.

Um ein Modell der Evolutionsgeschichte des Stoffwechsels auf der Ebene der Biosphäre zu erstellen, hat das Forscherteam eine Datenbank mit 12 262 biochemischen Reaktionen aus der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) Datenbank zusammengestellt. (Bildnachweis: Goldford, J.E., Nat Ecol Evol (2024))Die Wiederholung des Experiments mit diesem erweiterten Reaktionssatz führte nur zu einer geringfügigen Vergrößerung des Umfangs, „was darauf hindeutet, dass weder die derzeit katalogisierte noch die vorhergesagte Biochemie Transformationen enthält, die erforderlich sind, um die große Mehrheit der bekannten Metaboliten zu erreichen“.

Den Autoren fiel auf, dass ein wichtiger Vorläufer einer Klasse von Verbindungen, den Purinen, die wichtige Bausteine für biologische Moleküle wie DNA und RNA sind, nicht im Erweiterungsbereich des Modells enthalten war. Ein Schnelltest, bei dem Adenin, ein gängiges Purinderivat, zum Pool der Ausgangsverbindungen hinzugefügt wurde, führte zu einem Anstieg der Anzahl der modernen Biomoleküle, die das Modell vorhersagen konnte, um etwa 50 %.

Weitere Experimente bestätigten, was die Autoren als „Purin-Engpass“ bezeichneten, der anscheinend die Entstehung des Stoffwechsels aus geochemischen Vorläufern im Modell verhindert. Das Problem schien mit dem Datensatz moderner biochemischer Reaktionen zusammenzuhängen, bei denen die Produktion von Purinen, wie Adenosintriphosphat (ATP), autokatalytisch ist. Das bedeutet, dass mehrere Schritte im Syntheseweg von ATP selbst ATP erfordern – ohne ATP kann kein neues ATP erzeugt werden. Dieser Selbstzyklus führte dazu, dass das Modell ins Stocken geriet.

Um den Engpass zu beheben, stellten die Wissenschaftler die Hypothese auf, dass diese selbstkatalysierende Abhängigkeit in primitiven Stoffwechselwegen „entspannter“ gewesen sein könnte, da die Rolle, die ATP heute spielt, von anorganischen Molekülen, den so genannten Polyphosphaten, übernommen worden sein könnte. Durch den Ersatz von ATP in den Reaktionen der Datenbank (nur acht insgesamt erforderten diese Änderung) konnte fast der gesamte heutige Kernstoffwechsel erreicht werden.

„Wir werden es vielleicht nie genau wissen, aber unsere Forschung hat einen wichtigen Beweis erbracht: Nur acht neue Reaktionen, die alle an gängige biochemische Reaktionen erinnern, sind erforderlich, um eine Brücke zwischen Geochemie und Biochemie zu schlagen“, sagte Harrison Smith, einer der Autoren der Studie, in einer Pressemitteilung. „Das beweist nicht, dass der Raum der fehlenden Biochemie klein ist, aber es zeigt, dass sogar Reaktionen, die ausgestorben sind, anhand von Hinweisen, die in der modernen Biochemie hinterlassen wurden, wiederentdeckt werden können.“

„Die große Frage, die unbeantwortet bleibt, ist, ob wir experimentell zeigen können, dass die Schritte von der Geochemie zur Biochemie auf einem solchen Weg möglich sind“, fügte Jordan hinzu. „Diese Ergebnisse sollten andere auf diesem Gebiet ermutigen, diesen Übergang weiter zu erforschen. Sie zeigen uns, dass der Bauplan für die Chemie, die zur Entstehung des Lebens führte, in der bestehenden Biochemie zu finden ist.“

Die Studie wurde im März in der Zeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlicht.