Vor vier Milliarden Jahren entstanden die ersten molekularen Vorläufer des Lebens, die in der chemischen Ursuppe der Erde herumwirbelten. Obwohl die Identität dieser Moleküle nach wie vor umstritten ist, sind sich die Wissenschaftler einig, dass die Moleküle zwei wichtige Funktionen erfüllen mussten: Informationen speichern und chemische Reaktionen katalysieren. Die moderne Zelle weist diese Aufgaben ihrer DNA bzw. ihren Proteinen zu – aber nach der Darstellung, die heute die Forschung zur Entstehung des Lebens und die Beschreibungen in den Biologie-Lehrbüchern dominiert, war die RNA die erste, die diese Rolle spielte und den Weg für die DNA und die Proteine ebnete, die sie später übernahmen.
Diese Hypothese, die in den 1960er Jahren vorgeschlagen und zwei Jahrzehnte später als „RNA-Welt“ bezeichnet wurde, wird gewöhnlich als die wahrscheinlichste Erklärung für die Entstehung des Lebens angesehen. Alternative „Welten“ gibt es zuhauf, aber sie werden oft als Ausweichtheorien, Phantasiegebilde oder skurrile Gedankenexperimente betrachtet.
Das liegt vor allem daran, dass die RNA-Welt, abgesehen von der Theorie, durch viel mehr experimentelle Beweise gestärkt wird, als alle ihre Konkurrenten angehäuft haben. Letzten Monat berichtete das Quanta Magazine über eine alternative Theorie, die besagt, dass proteinähnliche Moleküle und nicht RNA die ersten Selbstreplikatoren des Planeten gewesen sein könnten. Aber die Ergebnisse waren rein rechnerisch; die Forscher haben gerade erst mit Experimenten begonnen, um ihre Behauptungen zu untermauern.
Jetzt hat ein Forscherpaar eine weitere Theorie aufgestellt – diesmal geht es um die Koevolution von RNA und Peptiden – von der sie hoffen, dass sie die RNA-Welt ins Wanken bringt.
Warum die RNA unzureichend war
Neue Arbeiten, die in Biosystems and Molecular Biology and Evolution veröffentlicht wurden, beschreiben, warum die RNA-Welt-Hypothese keine ausreichende Grundlage für die nachfolgenden evolutionären Ereignisse bietet. Stattdessen, so Charles Carter, ein Strukturbiologe an der University of North Carolina, Chapel Hill, der an der Veröffentlichung mitgewirkt hat, stellt das Modell „einen zweckmäßigen Vorschlag“ dar. „Es gibt keine Möglichkeit, dass ein einziges Polymer alle notwendigen Prozesse ausführen könnte, die wir heute als Teil des Lebens charakterisieren“, fügte er hinzu.
Und dieses einzige Polymer könnte laut den Studien seines Teams sicherlich nicht die RNA sein. Der Haupteinwand gegen das Molekül betrifft die Katalyse: Einige Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das mysteriöse Polymer die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, die sich um bis zu 20 Größenordnungen unterscheiden können, koordinieren müsste, damit sich Leben entwickeln kann. Selbst wenn die RNA in der präbiotischen Welt dazu in der Lage gewesen wäre, wären ihre Fähigkeiten als Katalysator an die sengenden Temperaturen – etwa 100 Grad Celsius – angepasst gewesen, die auf der frühen Erde herrschten. Sobald sich der Planet abkühlte, so Carter, wäre die RNA nicht mehr in der Lage gewesen, sich weiterzuentwickeln und die Arbeit der Synchronisation aufrechtzuerhalten. Schon bald wäre die Symphonie der chemischen Reaktionen durcheinander geraten.
Vielleicht am wichtigsten ist, dass eine Welt, die nur aus RNA besteht, nicht die Entstehung des genetischen Codes erklären könnte, den heute fast alle lebenden Organismen verwenden, um genetische Informationen in Proteine zu übersetzen. Der Code ordnet jede der 64 möglichen Drei-Nukleotid-RNA-Sequenzen einer der 20 Aminosäuren zu, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden. Ein Regelwerk zu finden, das robust genug ist, um dies zu tun, würde mit RNA allein viel zu lange dauern, sagte Peter Wills, Carters Mitautor an der Universität von Auckland in Neuseeland – falls die RNA-Welt überhaupt so weit kommen könnte, was er für höchst unwahrscheinlich hält. Wills ist der Ansicht, dass die RNA zwar in der Lage war, ihre eigene Bildung zu katalysieren, was sie „chemisch reflexiv“ machte, aber es fehlte ihr das, was er „rechnerische Reflexivität“ nannte.
„Ein System, das Informationen so nutzt, wie Organismen genetische Informationen nutzen – um ihre eigenen Komponenten zu synthetisieren – muss reflexive Informationen enthalten“, sagte Wills. Er definierte reflexive Information als Information, „die, wenn sie von dem System dekodiert wird, die Komponenten herstellt, die genau diese bestimmte Dekodierung durchführen.“ Die RNA der RNA-Welt-Hypothese, fügte er hinzu, ist nur Chemie, weil sie keine Möglichkeit hat, ihre Chemie zu kontrollieren. „Die RNA-Welt sagt nichts über die Genetik aus“, sagte er.
Die Natur musste einen anderen Weg finden, eine bessere Abkürzung zum genetischen Code. Carter und Wills glauben, dass sie diese Abkürzung gefunden haben. Sie hängt von einer engen Rückkopplungsschleife ab, die sich nicht durch RNA allein, sondern durch einen Peptid-RNA-Komplex entwickelt hätte.
Bringing Peptides Into the Mix
Carter fand Hinweise auf diesen Komplex Mitte der 1970er Jahre, als er in der Graduiertenschule lernte, dass bestimmte Strukturen, die in den meisten Proteinen vorkommen, „rechtshändig“ sind. Das heißt, die Atome in den Strukturen könnten zwei gleichwertige spiegelbildliche Anordnungen haben, aber die Strukturen verwenden alle nur eine. Auch die meisten Nukleinsäuren und Zucker, aus denen DNA und RNA bestehen, sind rechtshändig. Carter begann, sich RNA und Polypeptide als komplementäre Strukturen vorzustellen, und er modellierte einen Komplex, in dem „sie füreinander geschaffen sind, wie eine Hand in einem Handschuh“
Dies implizierte eine elementare Art der Codierung, eine Grundlage für den Informationsaustausch zwischen der RNA und dem Polypeptid. Er war auf dem Weg, zu skizzieren, wie das aussehen könnte, indem er sich vom weitaus komplexeren modernen genetischen Code zurückarbeitete. Als der 1986 geprägte Begriff der RNA-Welt aufkam, gab Carter zu: „Ich war ziemlich genervt“. Er hatte das Gefühl, dass seine Peptid-RNA-Welt, die er ein Jahrzehnt zuvor vorgeschlagen hatte, völlig ignoriert worden war.
Seitdem haben er, Wills und andere an einer Theorie gearbeitet, die auf diese Forschung zurückgeht. Ihr Hauptziel war es, den sehr einfachen genetischen Code zu entschlüsseln, der dem heutigen, spezifischeren und komplizierteren Code vorausging. Und so wandten sie sich nicht nur der Berechnung, sondern auch der Genetik zu.
Im Zentrum ihrer Theorie stehen 20 „Lade“-Moleküle, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Diese katalytischen Enzyme ermöglichen es der RNA, sich nach den Regeln des genetischen Codes mit bestimmten Aminosäuren zu verbinden. „In gewisser Weise ist der genetische Code in die Spezifität der aktiven Stellen dieser Enzyme ‚geschrieben'“, so Jannie Hofmeyr, Biochemiker an der Universität Stellenbosch in Südafrika, der nicht an der Studie beteiligt war.