Zwei Ursprünge des Lebens: Frei lebende Zellen sind möglicherweise zweimal entstanden, als Bakterien und Archaea voneinander abwichen

Zwei Ursprünge des Lebens: Die frei lebenden Zellen könnten zweimal entstanden sein, als Bakterien und Archaea voneinander abwichen Wissenschaftler haben überzeugende Beweise entdeckt, die darauf hindeuten, dass die frei lebenden Zellen zweimal unabhängig voneinander entstanden sein könnten, einmal zur Entstehung von Bakterien und einmal zu Archaea, da diese beiden Lebensbereiche vor Milliarden von Jahren voneinander abwichen. Eine in Science Advances veröffentlichte Studie von Forschern des Instituts für Molekulare Evolution an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf zusammen mit Mitarbeitern aus mehreren Institutionen präsentiert diese bahnbrechende Erkenntnis auf der Grundlage von Genomanalysen, Proteinstrukturstudien und Rekonstruktionen alter Stoffwechselwege.

Nach der Studie entstanden die frühesten Lebensformen wahrscheinlich in Umgebungen, die reich an hydrothermaler Aktivität sind, wie z. B. Tiefsee-Lüften. Diese Bedingungen lieferten eine Mischung an anorganischen Katalysatoren, einschließlich Metallen, die eine entscheidende Rolle bei der Erleichterung der für das Leben notwendigen chemischen Reaktionen spielten. Die Studie legt nahe, dass die anfänglichen Stadien des zellulären Stoffwechsels stark auf diese Umweltkatalysatoren und nicht auf Enzyme angewiesen waren, die später in der Evolutionshistorie auftraten.

"Wir würden zwei sehr unterschiedliche Arten von Zellen entstehen sehen, Pionierbakterien und Pionierarchäen, die ihre ersten Versuche mit dem Leben außerhalb der Grenzen eines hydrothermalen Vents unternehmen", erklärte sie. "Die Ergebnisse stellen die lange gehaltene Annahme in Frage, dass das Leben durch einen einzigen Evolutionsweg entstanden ist, und schlagen stattdessen ein Szenario vor, bei dem zwei getrennte Ursprünge die beiden Hauptzweige des zellulären Lebens hervorbrachten". Das Forscherteam untersuchte die chemischen Reaktionen, die die Synthese grundlegender biologischer Moleküle wie Aminosäuren, RNA-Basen und Vitamine aus einfachen Vorläufern wie Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid ermöglichten.

Sie identifizierten insgesamt 420 enzymatische Reaktionen, die heute als universell für alle lebenden Organismen gelten. Die Studie ergab jedoch, dass die Enzyme, die für diese Reaktionen verantwortlich sind, nicht zwischen Bakterien und Archaea geteilt werden. Stattdessen besaß der letzte universelle gemeinsame Vorfahre (LUCA) aller bekannten Lebensformen nur etwa die Hälfte dieser Reaktionen, während die restlichen von Metallen in der Umwelt katalysiert wurden. William Martin, ein Biologe der Universität Düsseldorf und leitender Autor der Studie, betonte die Bedeutung dieser Entdeckung.

Die Überraschung besteht darin, dass die Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, nicht über die evolutionäre Kluft zwischen Bakterien und Archaea hinweg erhalten bleiben", erklärte er. Wir haben festgestellt, dass LUCA Enzyme für nur etwa die Hälfte der Stoffwechselreaktionen besitzt. Harun Tüysüz, ein anorganischer Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung und des IMDEA-Materialien-Instituts in Madrid, fügte hinzu, dass die in hydrothermalen Öffnungen häufig vorkommenden Metalle einen erheblichen Teil der für den Stoffwechsel erforderlichen Enzyme wirksam ersetzen könnten. Metalle, die in hydrothermalen Öffnungen natürlich vorkommen, können eine überraschend große Anzahl von Enzymen im Stoffwechsel ersetzen", stellte er fest.

Joseph Moran, ein Forscher der Universität von Ottawa, der sich auf die Verwendung von Metallen zur Katalysation von Stoffwechselreaktionen spezialisiert hat, erläuterte die Implikationen der Studie weiter. "Je genauer wir hinschauen, desto deutlicher können wir sehen, dass die frühe biochemische Evolution eine Mischung aus enzymatischen und metallischen Katalysatoren war", sagte er. "Dieses hybride System ermöglichte frühen Lebensformen, sich anzupassen und zu entwickeln, was schließlich zur Entwicklung voll funktionsfähiger Enzyme führte, die komplexe Stoffwechselaufgaben ausführen können". Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass der Übergang von nicht-enzymatischen, metallkatalysierten Prozessen zu enzymbasiertem Stoffwechsel schrittweise stattgefunden hat.

Die Forscher rekonstruierten vier Schlüsselphasen der frühen Katalyse: eine anfängliche Periode, in der ausschließlich Metallkatalysatoren dominierten, gefolgt von einer Übergangsphase mit Metallen und Enzymen und schließlich der Diversifizierung der enzymatischen Systeme innerhalb der bakteriellen und archäischen Abstammungslinien.