Auf den Spuren der Stoffwechselkreisläufe

Vor rund vier Milliarden Jahren entstand Leben auf der Erde. Wichtige Stoffwechselwege wie der heute in allen Zellen zentrale "Krebs-Zyklus" könnten sich dabei autark gebildet haben, fand ein Tiroler Forscher mit Kollegen heraus. Er funktioniert nämlich mit einer reaktiven Schwefel-Verbindung als Antriebskraft - ohne Enzyme und Erbträger, so die Forscher im Fachblatt "Nature Ecology & Evolution".

Zitratzyklus (Krebs-Zyklus)

Der Krebs-Zyklus, unter anderem auch Zitratzyklus genannt, ist einer der Hauptdrehpunkte in lebenden Zellen. Damit gewinnen sie Energie und stellen wichtige Grundbausteine für Stoffaufbau- (Biosynthese-) Vorgänge her. In modernen Zellen von Bakterien bis Menschen wird er von Enzymen angetrieben und geregelt, damit er effizient funktioniert. Doch es geht auch ohne diese, wie Markus Keller von der Division für Humangenetik der Medizinischen Universität Innsbruck herausfand.

In einem Team um Markus Ralser an der Universität Cambridge testete er in mehr als 4.500 Einzelexperimenten, ob es Bedingungen gibt, bei denen aus einem der Zwischenprodukte des Krebs-Zyklus das nächste entsteht und das Rad somit zu laufen beginnt. In Wasser, wo etwa entsprechende Zucker-Abbauwege bei höheren Temperaturen gut funktionieren, wie Keller früher gezeigt hatte, fand nur ein einziger von vielen nötigen Schritten statt. "Darum testeten wir systematisch Eisen- und Schwefelverbindungen, die sowohl in Bakterien, als auch in den 'Kraftwerken' höherer Zellen (Mitochondrien), wo der Krebs Zyklus abläuft, für viele Reaktionen wichtig sind", erklärte Keller im Gespräch mit der APA.

Im Reagenzglas funktionierte der Kreislauf auch ohne Enzyme

Die Forscher entdeckten, dass bei Zugabe von reaktiven Schwefel-Molekülen (Sulfatradikale) 24 verschiedene Reaktionen ablaufen, die allesamt zum Krebs-Zyklus gehören. Im Reagenzglas funktioniert der Kreislauf mit dem passenden Antreiber (Katalysator) also auch ohne Enzyme, und zwar sehr effizient. "Es werden unter diesen Bedingungen nur wenige Stoffwechselprodukte gebildet, die nicht zum Zitratzyklus gehören", so Keller. Mehr als 90 Prozente der Zwischenprodukte, die er mit seinen Kollegen nachweisen konnte, sind Komponenten dieses Kreislaufs. Zum Vergleich: Selbst wenn man im Reagenzglas den Zuckerabbau-Stoffwechselweg (Glykolyse) mit den Original-Enzymen nachstellt, betrage die Effizienz nur um die 80 Prozente.

Es ist somit sehr wahrscheinlich, dass zumindest die Grundstruktur des Krebs-Zyklus bereits in den Urmeeren bestanden hat, bevor es Enzyme aus Eiweißstoffen und Erbträger wie RNA und DNA gab. Dafür spricht auch, dass bei verschiedenen Organismen die einzelnen Zwischenprodukte des Krebs-Zyklus mehr oder weniger die selben sind, während die Enzyme sich durchaus stark unterscheiden können. Manchmal haben sie andere Aminosäurensequenzen, aber eine sehr ähnliche Form, um die selbe Arbeit zu erledigen, manchmal bewerkstelligen sie einzelne Reaktionen auf komplett unterschiedliche Art und Weise, berichtet Keller.

Entstehung des Lebens

Wenn Stoffwechselwege wie der Krebs-Zyklus im richtigen Milieu, wie es vor Milliarden Jahren auf der Erde herrschte, auch ohne Enzyme ablaufen, erleichtert das ungemein die weiteren Schritte zu lebensfähigen Systemen. Denn es ist extrem unwahrscheinlich, dass alle dafür nötigen Enzyme fast gleichzeitig "erfunden" wurden, und wenn sie hintereinander entstanden wären, hätte das in der Evolution eines Stoffwechselweges keinen Vorteil gebracht. So aber konnten die Zellen die bestehenden chemischen Reaktionsrouten Schritt für Schritt verbessern, effektiver machen und unter ihre Kontrolle bringen.

Es war bei der Entstehung des Lebens also weder die Henne noch das Ei zuerst da, sondern wahrscheinlich chemische Stoffwechselrouten, die in beiden vorkommen. Um sie herum bildeten sich später Zellen und vielzellige Organismen.

Dort sind die Enzyme und auch die Erbinformation, mit der sie von einer Generation an die nächste weitergeben werden, freilich ungemein wichtig. "Es ist ganz klar, dass Enzyme in unseren Zellen viel besser funktionieren, als zum Beispiel Sulfat-Radikale", sagte Keller. Sie sind spezialisierte Hochleistungsmaschinen, die gut kontrolliert werden können, und nicht unspezifisch eine ganze Reihe von Reaktionen auslösen, wie reaktive Chemikalien. Somit waren Enzyme für die Entwicklung der Lebewesen zwar immens wichtig, die ersten Schritte dazu liefen aber offensichtlich ohne sie ab.