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Dem Ursprung des Lebens auf der Spur

Membranfreie Mikrotröpfchen als idealer Ort für die Anreicherung und Aktivität von RNA

10.10.2018

Drobot und Tang / MPI-CBG

Membranfreie Mikrotröpfchen (Koazervate) unter dem Mikroskop. Die grüne Fluoreszenz dient als Nachweis für die enzymatische Aktivität der eingeschlossenen RNA.

Wie das Leben aus unbelebten Stoffen vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde entstand, ist eine der grundlegendsten und noch unbeantworteten wissenschaftlichen Fragen. Eine der existierenden Hypothesen, die RNA-Welt-Hypothese, geht davon aus, dass RNA-Biomoleküle zu der Zeit als das Leben begann eine Schlüsselrolle gespielt haben, da sie genetische Informationen enthalten und als Enzyme wirken. Eine Voraussetzung für die RNA-Aktivität ist jedoch, dass sich eine bestimmte Anzahl von Molekülen in unmittelbarer Nähe zueinander befindet. Die nötige RNA Anreicherung könnte in abgegrenzten Räumen (Kompartimente) stattgefunden haben. Membranfreie Mikrotröpfchen, sogenannte Koazervate, bieten ideale Bedingungen dafür, da Biomoleküle wie RNA barrierefrei aufgenommen werden können. Jedoch fehlte bislang der experimentelle Nachweis für die enzymatische Aktivität von RNA in solchen Mikrotröpfchen. Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden und des Max-Planck-Instituts für Biochemie (MPIB) in Martinsried haben erstmals gezeigt, dass einfache RNA in membranfreien Mikrotröpfchen aktiv ist und diese damit eine geeignete Umgebung für den Ursprung des Lebens sind.

Die RNA-Welt-Hypothese geht davon aus, dass das Leben aus sich selbst reproduzierenden RNA-Molekülen entsteht, einem Biomolekül, das vor der Evolution von DNA und Proteinen existierte. Dieser Hypothese folgend, gehen die Forscher davon aus, dass auf der frühen Erde die Konzentration von RNA und ihren Bausteinen möglicherweise zu gering war, als dass eine Reaktion stattfinden könnte. Die verstreuten RNA-Moleküle mussten also einen Weg zueinander finden, um miteinander reagieren zu können und damit Leben zu erzeugen. Geeignete Orte für die Anreicherung von RNA könnten Kompartimente sein. Diese existieren entweder mit einer Membran, wie bei einer Zelle, oder ohne Membran. Membranfreie Kompartimente können durch Phasentrennung von entgegengesetzt geladenen Molekülen gebildet werden, ein Prozess, der der Trennung von Öltropfen in Wasser ähnlich ist.

In ihrer Studie zeigten die Forscher erstmals, dass RNA in membranfreien Mikrotröpfchen aktiv ist, was die bisherige Hypothese unterstützt, dass solche Koazervate eine Art Protozelle darstellen und somit ein Vorläufer der heutigen Zellen sein könnten. Die Fähigkeit von Koazervaten, RNA anzureichern, könnte auch das Verdünnungsproblem von Biomolekülen gelöst haben. Darüber hinaus ermöglichen diese membranfreien Tröpfchen den barrierefreien Austausch von RNA. Dr. Björn Drobot, der Erstautor dieser Studie, erklärt: „Eines der wirklich spannenden Ergebnisse ist, dass Koazervate wie ein kontrolliertes genetisches Transfersystem wirken, in dem kürzere RNA-Stücke zwischen Tröpfchen pendeln können, während längere RNA-Moleküle in ihren Mikrotröpfchen eingeschlossen sind. Auf diese Weise haben diese Protozellen die Fähigkeit, genetische Informationen auszutauschen, was ein wichtiges Kriterium für den Beginn des Lebens ist.“

Diese Ergebnisse zeigen, dass membranfreie Mikrotröpfchen für eine gezielte Anreicherung von RNA förderlich sind. Dr. Dora Tang, die das Projekt leitete, weist darauf hin: „In den 1920er Jahren wurde von dem russischen Wissenschaftler Oparin angenommen, dass Koazervate die ersten Kompartimente auf der Erde gewesen sein könnten und bereits existierten, bevor sich Zellen mit einer Membran herausbildeten. Sie bieten Biomolekülen die Möglichkeit, sich anzureichern und so Leben auf der Erde zu schaffen. Unsere Studie ergänzt eine Reihe von Arbeiten aus meinem und anderen Laboren, die immer mehr Belege dafür liefern, dass Koazervate potentielle Kandidaten für die Kompartimentbildung während der Entstehung des Lebens sein könnten. Zusätzlich sind Sie interessante Reaktionsräume für die moderne und synthetische Biologie.“

Originalveröffentlichung:

Björn Drobot, Juan M. Iglesias-Artola, Kristian Le Vay, Viktoria Mayr, Mrityunjoy Kar, Moritz Kreysing, Hannes Mutschler & T-Y Dora Tang; "Compartmentalised RNA catalysis in membrane-free coacervate protocells"; Nature Communications; September 7, 2018.

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