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Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle

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Schritt für Schritt zurück zum Ursprung allen Lebens auf der Erde

Wie ist das Leben auf unserem Planeten entstanden? Ein ERC-finanziertes Projekt liefert neue Argumente für die Theorie, dass selbstorganisierte Chemie einen entscheidenden Effekt ausgeübt und die Prozesse hervorgebracht haben könnte, aus denen sich später der biologische Stoffwechsel entwickelte, wie wir ihn heute kennen. Diese Reaktionen im Labor zu reproduzieren, könnte ein erster Schritt hin zu umweltfreundlicheren chemischen Prozessen sein.

Grundlagenforschung

Der Stoffwechsel ist ein lebenserhaltender Prozess – soviel wissen wir. Aber wie ist er entstanden und welche Rolle hat er bei der Entstehung des Lebens auf der Erde gespielt? Das Projekt CARBONFIX (Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle), das durch den Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, hat anhand von Untersuchungen, wie einfache Moleküle sich selbst organisieren können, um chemische Reaktionen auszulösen, die denen während des biologischen Stoffwechsels ähneln, neue Antworten auf diese Frage gefunden. Der Stoffwechsel von Organismen ist auf Enzyme als Katalysatoren angewiesen, und diese Enzyme können nur in lebenden Zellen erzeugt werden. Das CARBONFIX-Forschungsteam fand dem Stoffwechsel ähnelnde Mechanismen, die aber unter bestimmten Bedingungen auch ohne Enzyme ablaufen können. Es untersuchte Stoffwechselprozesse, die von Lebensformen in der Urzeit genutzt wurden, um CO2 in organische Verbindungen umzuwandeln, und baute nichtbiologische Analoga dieser Signalwege zur CO2-Fixierung nach.

Die Natur nachahmen

Die beiden biologischen Prozesse, die in Resten urzeitlichen Lebens gefunden wurden und die das Projekt zu replizieren versuchte, sind im Allgemeinen als der Wood-Ljungdahl-Weg und der umgekehrte Krebs-Zyklus bekannt. „Beide wandeln CO2, Protonen und Elektronen in eine kleine Menge von Molekülen um, die lediglich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen – welche ganz zufällig auch die universellen Bausteine der Biochemie sind“, erklärt Joseph Moran, Professor am Institut für supramolekulare Wissenschaft und Technik ISIS in Straßburg, der ein ERC-Stipendium für die Leitung von CARBONFIX erhielt. „Während ein Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Meinung ist, dass die beiden Wege, die möglicherweise auch noch zusammenarbeiten, eine Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnten, gab es bislang nur wenige experimentelle Belege, die diese Idee stützen.“ Zur Nachahmung des Wood-Ljungdahl-Wegs gab das Forschungsteam metallisches Eisen, Nickel oder Kobalt in warmes, kohlensäurehaltiges Wasser. Es wurde eine Reaktion ausgelöst, bei der sich das CO2 in Formiat, Acetat und Pyruvat umwandelte, was dieselben Zwischenprodukte wie beim Stoffwechselweg sind. Arbeiten am umgekehrten Krebs-Zyklus lieferten ganz ähnliche Ergebnisse. Das Team konnte nachweisen, dass Metallionen und metallisches Eisen mehr als die Hälfte der Reaktionen des Zyklus begünstigen können, ohne dass Enzyme vorhanden sind. Weitere Forschungen sollen den Gesamtzyklus abdecken. Diese Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Betrachtung des Ursprungs des Lebens haben, da sie darauf hinweisen, dass diese biologischen Signalwege schon entstanden sein könnten, bevor überhaupt Enzyme existierten. „Bei diesem Modell entsteht auf nichtenzymatische Weise eine komplexe, selbstorganisierte Chemie, die später durch die Evolution verfeinert wird und den Stoffwechsel entstehen lässt, wie wir ihn heute kennen“, erläutert Moran. „Das würde auch direkt erklären, warum der Stoffwechsel so funktioniert, wie er funktioniert: Weil er so angefangen hat.“

Umweltfreundliche Synthese in Sicht

Das Projekt CARBONFIX stattet uns nicht nur mit neuen Hinweisen über unsere Vergangenheit aus, sondern könnte auch ganz neue Perspektiven für eine nachhaltigere Zukunft eröffnen: Vielleicht weist die Realisierung eines vollständigen umgekehrten Krebs-Zyklus einen gangbaren Weg, um CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. Zudem ist es denkbar, dass die ermittelten Reaktionen ein erster Schritt hin zur Entwicklung von Verfahren zur Umwandlung von CO2 in nützliche Chemikalien mithilfe kostengünstiger und einfacher Katalysatoren sind. „Essigsäure ist einer der Hauptbestandteile von Essig, während Brenztraubensäure der biologischen Forschung gute Dienste leistet“, fügt Moran hinzu. Er weist jedoch darauf hin, dass noch weitere Arbeit nötig sei, um an diesen Punkt zu gelangen: „Wenn wir einen Weg finden, um die vorübergehend gebildeten Produkte auch nur in eine einzige nützliche Verbindung umzuwandeln, könnte sich letztlich eine umsetzbare Lösung abzeichnen. Gegenwärtig arbeiten wir mit Fachleuten für heterogene Katalyse zusammen, um diese Möglichkeit zu erkunden.“

Schlüsselbegriffe

CARBONFIX, Ursprung des Lebens, Stoffwechsel, Chemie, Enzyme, Katalysatoren, Signalweg der Fixierung von CO2, Wood-Ljungdahl-Weg, umgekehrter Krebs-Zyklus, umweltfreundliche Synthese, nachhaltige Synthese

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