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Autocatalysis: A bottom-up approach to understanding the origins of life

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Synthetische Zellmodelle als Beitrag zur Erforschung der Ursprünge des Lebens

Bahnbrechende Forschung zu einem wichtigen biologischen Vorgang hat neue Erkenntnisse über die Ursprünge des Lebens zutage gebracht und der Wissenschaft neue Möglichkeiten eröffnet, Lebewesen zu erforschen.

Grundlagenforschung

Das Phänomen der Selbstreproduktion wurde ausgiebig erforscht, nicht nur, weil es erklären könnte, wie die ersten Lebensformen entstanden, sondern auch weil es bei alltäglichen biologischen Vorgängen eine wichtige Rolle spielt. Es trägt dazu bei, dass biologische Systeme selbstversorgend sein können. „Die Fragen, wie genau chemische Systeme aus sehr einfachen Bausteinen autokatalytisch werden können und wie komplex die Chemie dieser ‚einfachen‘ Systeme werden kann, sind bislang noch weitgehend ungeklärt“, so der Koordinator des Projekts Autocat Stephen Fletcher, Professor für Chemie an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich.

Selbstreplizierende Systeme

Um diesbezüglich Abhilfe zu schaffen, machte sich Fletcher daran, einfache Modelle von Zellen zu entwickeln, die zur Selbstreproduktion fähig sind, um zu untersuchen, was auf der Ebene geschieht, auf der chemische Moleküle in die Systeme eingebunden werden. Mithilfe zweier einfacher chemischer Bausteine zur Herstellung komplexerer Produkte, die dann primitive zellenähnliche Strukturen bildeten, gelang es ihm, aufzuklären, wie diese Vorgänge vonstattengehen. Diese Modelle ermöglichten Fletcher und seinem Team, Abläufe, die mit den Ursprüngen des Lebens zusammenhängen könnten und die vor Milliarden von Jahren aus Chemie Biologie erschufen, auf neue Weisen zu untersuchen. „Letztendlich war das nur Detektivarbeit“, erklärt er. „Wir mischten verschiedene Moleküle zusammen, um festzustellen, ob es uns gelingen würde, diese komplexen, selbstreplizierenden Systeme zu erzeugen.“ Ein wichtiger Durchbruch war dabei, dass das Team sich die Fähigkeit erarbeitete, selbstreplizierende Systeme zu erschaffen, die die Funktionsweise biologischer Systeme grob nachbilden. Das Team fixierte diese Systeme dann in einem energieverbrauchenden Zustand, den die Wissenschaft als „außerhalb des Gleichgewichts“ bezeichnet. „Wir konnten wesentlich fortgeschrittenere selbstreplizierende Protozellmodelle erzeugen, als bislang möglich war“, fügt Fletcher hinzu.

Realistische biologische Modelle

Fletcher merkt an, dass Autocat sich mit der Zeit weiterentwickelt hat. Während das Projekt Fortschritte in Richtung eines besseren Verständnisses der Autokatalyse machte, eröffnete die Entwicklung synthetischer Systeme außerhalb des Gleichgewichts neue Forschungsgelegenheiten. „Wir können jetzt beobachten, was geschieht, wenn wir diese Systeme gegeneinander antreten und um Ressourcen oder Bausteine konkurrieren lassen“, so Fletcher. „Gewinnt ein Produkt die Oberhand und kommt es zu einem Selektionsmechanismus? Und wenn ja, warum?“ Darüber hinaus vertiefte die Forschung Flechters Verständnis der Vorteile der Entwicklung biologischer Modelle, die das Leben genauer widerspiegeln. „Mit autokatalytischen Reaktionen lassen sich sehr schnell Dinge erzeugen“, merkt er an. „Sie erschaffen und erschaffen und erschaffen.“ „Aber das echte Leben funktioniert anders“, fügt er hinzu. „Menschen werden geboren, sie leben und dann sterben sie. Genauso verhält es sich mit unseren Zellen. Sie replizieren sich nicht ewig weiter.“ Das Projekt Autocat verhalf Fletcher und seinem Team zu einer Führungsrolle bei der Entwicklung funktioneller reproduktiver Modelle, die biologische Prozesse genauer widerspiegeln. „Zuvor haben wir immer nur versucht, die Reproduktion nachzuahmen“, erklärt er. „Jetzt sind wir darum bemüht, uns den Energieverbrauch zunutze zu machen und andere komplexere biologische Phänomene nachzubilden.“ Fletcher merkt an, dass es inzwischen eine ganze Forschungsgemeinschaft gibt, die sich der Untersuchung von Systemen außerhalb des Gleichgewichts widmet. „Das Schöne an der Finanzhilfe des Europäischen Forschungsrats war, dass nur sehr wenig von unserer aktuellen Tätigkeit in unserem ursprünglichen Antrag stand“, sagt er. „Aber wir konnten im Laufe des Projekts neue Wege gehen, um in einem innovativen Bereich weiterhin führend mitzuwirken. Ohne die Unterstützung des Europäischen Forschungsrats wäre uns das nie möglich gewesen.“

Schlüsselbegriffe

Autocat, biologisch, autokatalytisch, chemisch, Zelle, Leben, Moleküle, Energie, Reproduktion

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