Deutsche Biologen haben experimentell bewiesen, dass Transport-RNA-Moleküle ein Hauptelement in der Evolution früherer Lebensformen sein könnten. Unter bestimmten Bedingungen sind sie in der Lage, sich in funktionellen Einheiten zu sammeln, die die genetische Information geometrisch reproduzieren.
Die Übertragung genetischer Informationen erfolgt sequentiell: Zuerst von DNA zu RNA (dieser Prozess wird als Transkription bezeichnet), und dann wird die Proteinsynthese (Translation) auf der RNA-Matrix realisiert. In einer Operation, die als Replikation bekannt ist, duplizieren Proteine genetische Informationen, die in DNA-Molekülen codiert und im Zellkern gespeichert sind, verteilen sie während der Teilung gleichmäßig zwischen zwei Tochterzellen, und der Prozess wird wiederholt.
Das Paradox des zentralen Dogmas der Molekularbiologie besteht darin, dass komplexe Proteinverbindungen – Enzyme, die bereits im ersten Schritt als Katalysatoren für die Transkription fungieren, als Katalysatoren dienen: In einem bestimmten Abschnitt wird die DNA-Doppelhelix unter dem Einfluss von Enzymen aufgedreht und eine der Ketten wird zur Matrix für den Aufbau einer sogenannten Matrix- oder Informations-RNA (mRNA), die dann an der Übertragung beteiligt ist.
Das heißt, und auf molekularer Ebene stellt sich die uralte Frage nach dem Ursprung des Lebens – was ursprünglich war – ein Ei oder ein Huhn: Proteine werden benötigt, um genetische Informationen zu übertragen, aber ihre Synthese hängt von der Transkription ab.
Biologen der Ludwig-Maximilians-Universität München haben zum ersten Mal experimentell bewiesen, dass kleine Veränderungen in Transport-RNA-Molekülen (tRNA) es ihnen ermöglichen, sich selbst zu einer funktionellen Einheit zu sammeln, die Informationen reproduzieren kann.
Die Transport-RNA, die als Vermittler zwischen mRNA und Proteinen fungiert, könnte daher ein Schlüsselelement in der Entwicklung früherer Lebensformen sein: tRNA-Moleküle könnten autonom miteinander interagieren, um eine Art Replikationsmodul zu bilden, das Informationen exponentiell replizieren kann.
"Unsere Forschung zu den frühen Formen der molekularen Replikation und unsere Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Replikation und Übersetzung bringen uns der Rekonstruktion des Ursprungs des Lebens näher", heißt es in einer Pressemitteilung der Universität zu den Worten von Dieter Braun, einem der Autoren der Studie.
Damit ein solches System funktioniert, braucht es ein ungleiches Umfeld, um die entsprechenden physikalischen und chemischen Prozesse zu starten, glauben die Wissenschaftler. Daher beinhalteten alle ihre Experimente eine sich wiederholende Abfolge von Temperaturschwankungen.
Jedes Experiment begann mit einem Muster – einer Informationsstruktur, die aus zwei Arten von zentralen Nukleotidsequenzen bestand. Die Forscher haben gezeigt, dass eine binäre Musterstruktur unter periodisch wechselnden Bedingungen wiederholt kopiert werden kann. Ein solcher Replikationsmechanismus könnte in einem hydrothermalen Mikrosystem auf der frühen Erde stattfinden.
Insbesondere nach Ansicht der Autoren könnte sich eine günstige Umgebung für solche Reaktionszyklen in porösen Gesteinen auf dem Meeresboden entwickeln, wo natürliche Temperaturschwankungen mit Konvektionsströmen verbunden sind.