Peptide, einer der grundlegenden Bausteine des Lebens, können unter Bedingungen ähnlich wie jenen auf der jungen Erde aus den primitiven Vorläufern von Aminosäuren entstehen. Das ist das Ergebnis einer neuen Studie des University College London (UCL). Die Ergebnisse erschienen im Journal Nature und könnten ein fehlendes Teil des Rätsels um die Entstehung des ersten Lebens sein.
“Peptide sind Ketten aus Aminosäuren und ein absolut essentielles Element allen Lebens auf der Erde. Sie bilden das Gefüge aus Proteinen, die als Katalysatoren für biologische Prozesse dienen, aber sie selbst benötigen Enzyme, um ihre Entstehung aus Aminosäuren zu steuern”, erklärte der leitende Autor der Studie, Dr. Matthew Powner vom UCL. “So hatten wir ein klassisches “Huhn-oder-Ei-Problem: Wie entstanden die ersten Enzyme?”
Er und sein Team haben demonstriert, dass die Vorläufer von Aminosäuren, sogenannte Aminonitrile, in Wasser leicht und selektiv in Peptide verwandelt werden können. Mit der Hilfe von anderen Molekülen, die in primordialen Umgebungen präsent waren, macht man sich dabei ihre innere Reaktivität zunutze.
“Viele Forscher haben versucht zu verstehen, wie erstmals Peptide entstanden, um bei der Entwicklung des Lebens zu helfen. Aber fast alle diese Forschungsarbeiten haben sich auf Aminosäuren konzentriert, deshalb wurde die Reaktivität ihrer Vorläufer übersehen”, sagte Dr. Powner.
Die Vorläufer – Aminonitrile – benötigen harsche Umgebungsbedingungen, um Aminosäuren zu bilden, typischerweise stark säurehaltige oder stark alkalische Umgebungen. Dann müssen die Aminosäuren mit Energie neu aufgeladen werden, um Peptide zu produzieren. Die Wissenschaftler fanden einen Weg, um diese beiden Schritte zu umgehen und Peptide direkt aus energiereichen Aminonitrilen zu bilden.
Sie stellten fest, dass Aminonitrile die innere Reaktivität besitzen, um in Wasser leichter die Peptidbindungsbildung durchzuführen als die Erzeugung von Aminosäuren. Das Team identifizierte eine Reihe einfacher Reaktionen, bei denen Wasserstoffsulfid mit Aminonitrilen und Ferricyanid kombiniert wird, um Peptide zu erhalten.
“Die kontrollierte Synthese als Reaktion auf umweltbedingte oder innere Stimuli ist ein grundlegendes Element der metabolischen Regulation. Deswegen denken wir, dass die Peptidsynthese Teil eines natürlichen Kreislaufs gewesen sein könnte, der sehr früh bei der Entwicklung des Lebens stattfand”, sagte Pierre Canavelli, der Erstautor der Studie, der sie während seiner Zeit am UCL abschloss. Die Moleküle, die als Substrate dienten, um die Bildung der Amidverbindungen in den Experimenten zu unterstützen, werden durch vulkanische Aktivitäten ausgegast und waren aller Wahrscheinlichkeit nach auf der jungen Erde präsent.
“Dies ist das erste Mal, dass man in überzeugender Weise gezeigt hat, wie Peptide ohne Aminosäuren in Wasser gebildet werden, bei relativ milden Bedingungen, die auf der jungen Erde wahrscheinlich vorherrschten”, sagte der Co-Autor Dr. Saidul Islam vom UCL.
Die Ergebnisse könnten auch auf dem Gebiet der synthetischen Chemie nützlich sein, weil die Bildung von Amidverbindungen entscheidend für viele kommerziell wichtige synthetische Materialien, bioaktive Verbindungen und Arzneimittel ist. Die in dieser Studie verwendete Methode ist chemisch unkonventionell, aber folgt einem Weg, um Peptide zusammenzuführen, die biologische Prozesse nachbilden. Im Gegensatz dazu laufen die bei der Peptidbildung normalerweise verwendeten Wege in die entgegengesetzte Richtung und erfordern teure und unwirtschaftliche Reagenzien.
Das Forschungsteam erweitert seine Studien durch die Suche nach anderen Wegen, wie Peptide Aminonitrile nutzen könnten. Die Wissenschaftler untersuchen die funktionellen Eigenschaften der Peptide aus ihren Experimenten, um besser zu verstehen, wie sie vor etwa vier Milliarden Jahren bei der Entstehung des Lebens halfen.
Die Studie wurde vom Engineering and Physical Sciences Research Council, der Simons Foundation und der Volkswagen Foundation unterstützt.
(THK)
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