Quelle: Universität Innsbruck 10. Februar 2023.

10. Februar 2023 – Der Ursprung des Lebens ist eine der großen Fragen der Menschheit. Eine der Voraussetzungen für die Entstehung von Leben ist die abiotische – nicht durch Lebewesen bewirkte, chemische – Erzeugung und Polymerisation von Aminosäuren, den Bausteinen des Lebens. „Zwei Szenarien werden für die Entstehung von Leben auf der Erde diskutiert: Einerseits die erstmalige Erzeugung solcher Aminosäureketten auf der Erde und andererseits der Eintrag aus dem Weltall“, erklärt Tilmann Märk von der Universität Innsbruck. „Für letzteres müssten solche Aminosäureketten unter den dafür sehr ungünstigen und unwirtlichen Bedingungen im Weltraum entstehen.“

Ein Forscherteam um Michel Farizon von der Universität Lyon und Tilmann Märk von der Universität Innsbruck hat nun eine bedeutende Entdeckung auf dem Gebiet der abiotischen Peptidkettenbildung aus Aminosäuren gemacht, und zwar für die kleinste vorkommende Aminosäure, das Glycin, ein Molekül, das in den vergangenen Jahren bereits mehrfach extraterrestrisch beobachtet wurde. Eine kürzlich im Journal of Physical Chemistry A veröffentlichte Studie, die es auch auf die Titelseite der Zeitschrift schaffte, zeigt, dass kleine Cluster von Glyzinmolekülen bei Energieeintrag Polymerisation zeigen. Es kommt zu einer Reaktion innerhalb eines Clusters bestehend aus zwei Glyzinmolekülen. Aus den zwei Aminosäuren werden ein Dipeptid und ein Wassermolekül. Auch die Reaktion eines Dipeptids zu einem Tripeptid innerhalb eines Clusters wurde von den ForscherInnen nachgewiesen.

„Unsere Studie wirft Licht auf das bisher weniger beachtete unimolekulare Szenario der Bildung solcher Aminosäureketten unter den extremen Bedingungen des Weltraums“, sagt Michel Farizon. „Wir konnten zeigen, dass das Wachstum von Peptidketten durch unimolekulare Reaktionen in angeregten Cluster-Ionen erfolgt, ohne dass ein Kontakt mit einem zusätzlichen Partner wie Staub oder Eis erforderlich ist.“

Die aktuelle Arbeit liefert den Nachweis, dass der erste Schritt zur Entstehung von Leben unter den sehr unwahrscheinlichen Bedingungen des Weltraums stattfinden kann. „Die Studie ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Verständnis der Ursprünge des Lebens. Die Ergebnisse werden als Grundlage für weitere Forschungen auf diesem Gebiet dienen“, sind Michel Farizon und Tilmann Märk überzeugt.

Originalpublikation:
Glycine Peptide Chain Formation in the Gas Phase via Unimolecular Reactions. Denis Comte, Léo Lavy, Paul Bertier, Florent Calvo, Isabelle Daniel, Bernadette Farizon, Michel Farizon, and Tilmann D. Märk. J. Phys. Chem. A 2023, 127, 775−780, doi.org/10.1021/acs.jpca.2c08248, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.2c08248.

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

10. Februar 2022 – Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens eine neue Spur entdeckt: Sie konnten zeigen, dass unter Bedingungen, wie sie im Weltall herrschen, Peptide auf Staub entstehen können. Diese Moleküle, die einer der Grundbausteine allen Lebens sind, sind also vielleicht gar nicht auf unserem Planeten entstanden, sondern womöglich in kosmischen molekularen Wolken.

Ketten aus Aminosäuren
Alles Leben, wie wir es kennen, besteht aus den gleichen chemischen Bausteinen. Dazu gehören Peptide, die im Körper völlig unterschiedliche Funktionen übernehmen: Sei es, um Stoffe zu transportieren, Reaktionen zu beschleunigen oder um in Zellen stabilisierende Gerüste zu bilden. Peptide bestehen aus einzelnen Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Die genaue Reihenfolge entscheidet darüber, welche Eigenschaften das Peptid am Ende besitzt.

Wie diese vielseitigen Biomoleküle entstanden sind, ist eine der Fragen nach dem Ursprung des Lebens. Dass dieser Ursprung außerirdischer Natur sein kann, zeigen Aminosäuren, Nukleobasen und verschiedene Zucker, die etwa in Meteoriden gefunden wurden. Damit aber aus einzelnen Aminosäure-Molekülen ein Peptid entsteht, braucht es ganz spezielle Bedingungen, die bislang eher auf der Erde vermutet wurden.

Für den ersten Schritt muss Wasser da sein, für den zweiten Schritt darf kein Wasser da sein.
„Bei dem herkömmlichen Weg, auf dem Peptide entstehen, spielt Wasser eine wichtige Rolle“, erklärt Dr. Serge Krasnokutski vom Astrophysikalischen Labor des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena. Hierbei verbinden sich einzelne Aminosäuren zu einer Kette. Damit das geschieht, muss jeweils ein Wassermolekül entfernt werden. „Unsere quantenchemischen Berechnungen zeigten nun, dass die Aminosäure Glycin entstehen kann, indem sich eine chemische Vorstufe – ein sogenanntes Aminoketen – mit einem Wassermolekül verbindet. Vereinfacht zusammengefasst: In diesem Fall muss für den ersten Reaktionsschritt Wasser dazugegeben werden, für den zweiten muss Wasser entfernt werden.“

Mit dieser Erkenntnis konnte das Team um den Jenaer Wissenschaftler nun einen Reaktionsweg nachweisen, der unter kosmischen Bedingungen ablaufen kann und dabei ohne Wasser auskommt. „Anstatt den chemischen Umweg zu gehen, in dem die Aminosäuren gebildet werden, wollten wir herausfinden, ob nicht stattdessen die Aminoketen-Moleküle entstehen und diese sich direkt zu Peptiden verbinden können“, beschreibt der Physiker die Grundidee der Arbeit, die nun im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlicht wurde. Er ergänzt: „Und zwar unter den Bedingungen, wie sie in kosmischen molekularen Wolken herrschen: Also auf Staubpartikeln im Vakuum, bei denen die entsprechenden Chemikalien anwesend sind und dort reichlich vorkommen: Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenstoffmonoxid.“

In einer Ultrahochvakuum-Kammer wurden Substrate, die als Modell für die Oberfläche von Staubpartikeln dienen zusammen mit Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenmonoxid bei etwa einem Billiardstel des normalen Luftdrucks und Minus 263 Grad Celsius zusammengebracht. „Untersuchungen zeigten, dass unter diesen Bedingungen aus den einfachen Chemikalien das Peptid Polyglycin entstanden ist,“ fasst Krasnokutski das Ergebnis zusammen. „Hierbei handelt es sich also um Ketten aus der sehr einfachen Aminosäure Glycin, wobei wir verschiedene Längen beobachtet haben. Die längsten Exemplare bestanden aus elf Einheiten der Aminosäure.“

Auch das vermutete Aminoketen konnte das Team in diesem Experiment nachweisen. „Dass die Reaktion bei derart niedrigen Temperaturen überhaupt ablaufen kann, liegt daran, dass die Aminoketen-Moleküle extrem reaktiv sind. Sie verbinden sich miteinander in einer effektiven Polymerisation. Das Produkt ist dann Polyglycin.“

Quantenmechanischer Tunneleffekt könnte eine Rolle spielen
„Dass die Polymerisation von Aminoketen unter solchen Bedingungen so einfach passieren kann, war dennoch überraschend für uns,“ sagt Krasnokutski. „Denn dazu muss eigentlich eine Energiebarriere überwunden werden. Allerdings kann es sein, dass uns ein besonderer Effekt der Quantenmechanik dabei zugutekommt. Denn in diesem speziellen Reaktionsschritt wechselt ein Wasserstoffatom seinen Platz. Dieses ist jedoch so klein, dass es als Quantenteilchen die Barriere nicht überwinden, sondern durch den Tunneleffekt gewissermaßen einfach durchqueren könnte.“

Jetzt wo klar ist, dass nicht nur Aminosäuren, sondern auch Peptidketten unter kosmischen Bedingungen entstehen können, müssen wir also bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens möglicherweise nicht nur auf die Erde, sondern auch mehr ins Weltall blicken.

Original-Publikation:
S. A. Krasnokutski, K.-J. Chuang, C. Jäger, N. Ueberschaar, Th. Henning, „A pathway to peptides in space through the condensation of atomic carbon“, Nature Astronomy (2022), DOI: https://www.nature.com/articles/s41550-021-01577-9

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