RNA-Moleküle können genetische Information speichern und sich durch die Bildung doppelsträngiger Helices selbst replizieren. Die Kombination dieser Fähigkeiten ermöglicht es ihnen, zu mutieren, sich weiterzuentwickeln, sich an verschiedene Umgebungen anzupassen und schließlich die Proteinbausteine des Lebens zu kodieren. Dazu müssen sich die RNA-Stränge nicht nur zu einem Doppelstrang replizieren, sondern auch wieder trennen, um den Replikationszyklus abzuschließen. Die Trennung der Stränge ist jedoch angesichts der hohen Salz- und Nukleinsäurekonzentrationen, die für die Replikation erforderlich sind, eine schwierige Aufgabe.
„Bislang wurden verschiedene Mechanismen auf ihr Potenzial untersucht, die DNA-Stränge am Ursprung des Lebens zu trennen, aber alle erfordern Temperaturänderungen, die zum Abbau der Nukleinsäuren führen würden“, sagt Hauptautor Philipp Schwintek, Doktorand in der Systembiophysik-Gruppe von ORIGINS Wissenschaftler Dieter Braun an der LMU. „Wir haben ein einfaches Szenario untersucht, das in der Geologie allgegenwärtig ist: Wasser, das durch eine Gesteinspore fließt, wird durch ein Gas getrocknet, das durch das Gestein strömt und an die Oberfläche gelangt. Ein solches Szenario wäre auf den vulkanischen Inseln der frühen Erde, die die für die RNA-Synthese notwendigen trockenen Bedingungen boten, sehr häufig gewesen."
Das Team baute ein Labormodell der Gesteinspore mit einem nach oben gerichteten Wasserstrom, der an einer Kreuzung mit einem vertikalen Gasfluss verdampft, was zu einer Ansammlung gelöster Moleküle an der Oberfläche führt. Gleichzeitig erzeugt der Gasfluss eine kreisförmige Strömung im Wasser, die die Moleküle zurück in das Innere der Pore treibt. Um zu verstehen, wie sich dieses Modell auf die Nukleinsäuren in der Umgebung auswirkt, beobachteten die Forscher die Dynamik des Wasserflusses mithilfe von kleinen Kügelchen und verfolgten dann die Bewegung von kurzen, fluoreszenzmarkierten DNA-Fragmenten.
Verdreifachung der DNA-Stränge innerhalb von fünf Minuten
Innerhalb von fünf Minuten nach Beginn des Experiments hatten sich die DNA-Stränge verdreifacht, während sich nach einer Stunde 30-mal so viele DNA-Stränge an der Grenzfläche angesammelt hatten. Dies deutet darauf hin, dass die Gas-Wasser-Grenzfläche eine ausreichende Konzentration von Nukleinsäuren für die Replikation ermöglicht. Jedoch müssen die doppelten DNA-Stränge auch getrennt werden, um einen vollen Replikationszyklus zu vervollständigen. Dazu ist normalerweise eine Temperaturänderung notwendig, bei konstanter Temperatur aber eine Änderung der Salzkonzentration. „In dieser Arbeit haben wir ein plausibles und reichhaltiges geologisches Milieu untersucht, das die Replikation frühen Lebens ausgelöst haben könnte“, fasst Dieter Braun zusammen. „Wir betrachteten eine Umgebung, in der Gas über eine offene, mit Wasser gefüllte Gesteinspore strömt, ohne dass sich die Temperatur ändert, und fanden heraus, dass die kombinierte Strömung von Gas und Wasser Salzschwankungen auslösen kann, die die DNA-Replikation unterstützen. Da es sich um eine sehr einfache Geometrie handelt, erweitern unsere Ergebnisse das Repertoire möglicher Umgebungen, die eine Replikation auf frühen Planeten ermöglichen könnten, beträchtlich.“
Publikation:
Philipp Schwintek, Emre Eren, Christof Mast, Dieter Braun. Prebiotic gas flow environment enables isothermal nucleic acid replication. eLife 2024
Kontakt:
Prof. Dr. Dieter Braun
Ludwig-Maximilians-Universität München / Exzellenzcluster ORIGINS
E-Mail: Dieter.Braun(at)physik.uni-münchen.de
