Frühe Erde: Evolution in der abiotischen Welt

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Vor der biologischen Evolution ereignete sich auf der frühen Erde eine chemische: Aus einfachen abiotischen Molekülen entstanden immer komplexere Netzwerke chemischer Reaktionen und schließlich die ersten Bausteine des Lebens. Wie die biologische beruht auch die chemische Evolution auf Veränderung und Selektion von Molekülen, wodurch neue Funktionen entstehen und verbreitet werden. Sie ist eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung von Leben, wird aber auf der molekularen Ebene kleiner organischer Moleküle bisher schlecht verstanden. Ein Team um den LMU-Chemiker Oliver Trapp hat nun mit den sogenannten Imidazolidin-4-thion-Organokatalysatoren vielversprechende Kandidaten für ein präbiotisches evolutionäres System gefunden. Wie die Forschenden im Fachmagazin Angewandte Chemie berichten, können diese Organokatalysatoren ihre Zusammensetzung dynamisch ändern und wichtige Schritte auf dem Weg zum Leben katalysieren.

„Als wir die Bildung von Aminosäuren und Nebenprodukten unter präbiotischen Bedingungen untersuchten, haben wir entdeckt, dass auch Imidazolidin-4-thion-Organokatalysatoren in beachtlichen Mengen entstehen“, erzählt Trapp. Diese Katalysatoren bilden eine Gruppe zyklischer Verbindungen, die sich aus verschiedenen Komponenten zusammensetzen und sich durch reversible Prozesse kontinuierlich umwandeln können. Katalysatoren setzen Reaktionen in Gang oder erleichtern sie. Imidazolidin-4-thion-Organokatalysatoren sind photochemisch aktiv und könnten auf der frühen Erde eine wichtige Rolle gespielt haben, da sie essenzielle Reaktionen wie etwa die Phosphorylierung katalysieren und Aminosäurevorläufer aufbauen können.

„Mit unseren Experimenten konnten wir beweisen, dass diese Katalysatoren tatsächlich eine Evolution auf molekularer Ebene durchlaufen können“, sagt Trapp. „Sie können überraschenderweise die Bausteine verändern, aus denen sie zusammengesetzt sind. Zudem können sie diese veränderten Bausteine ein- und ausbauen und damit eine echte Mutation durchlaufen.“ Die Katalysatoren passen sich an ihre Umgebung an, d.h. bei unterschiedlichen Bedingungen werden verschiedene Spezies mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften gebildet – sie ermöglichen damit gleich mehrere Reaktionspfade für die Umwandlung von abiotischer Materie in funktionelle Biomoleküle. Damit könnten diese Organokatalysatoren nach Ansicht der Autoren auf der frühen Erde tatsächlich eine wichtige Rolle gespielt haben, indem sie die Entwicklung zu unserem heutigen Biosystem unterstützten und katalysierten.

Anna C. Closs, Maximilian Bechtel, and Oliver Trapp: Dynamic Exchange of Substituents in a Prebiotic Organocatalyst: Initial Steps towards an Evolutionary System. Angewandte Chemie 2022