25.11.2022 - Université de Strasbourg

Urtümliche Reaktionswege

Reaktionen im reduktiven Krebszyklus funktionieren auch mit Meteoritenpulver

Natürlich ablaufende chemische Reaktionen könnten sich zu den heute bekannten biochemischen Prozessen fortentwickelt haben. Ein Forschungsteam hat nun entdeckt, dass eine Reaktionsabfolge im sogenannten reduktiven Krebszyklus, einem fundamentalen biochemischen Prozess, auch ohne Enzymkatalyse möglich ist. Metalle und sogar pulverförmiges Meteoritenmaterial katalysieren die Hydrierungsreaktionen, schreibt das Team in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Zellen gewinnen Energie und molekulare Bausteine durch ihren Stoffwechsel. Dabei werden in universellen biochemischen Prozessen mit der Hilfe von Enzymen molekulare Verbindungen auf- und wieder abgebaut. Einfache organische Moleküle wie organische Säuren, Aminosäuren und Peptide kommen jedoch auch in außerirdischen Objekten vor. Das nährt die Vermutung, dass auch auf der frühen Erde organische Moleküle existiert haben könnten, noch bevor sich das Leben entwickelte.

Nach der Theorie eines sich selbst organisierenden chemischen Netzwerks könnten einige fundamentale biochemische Reaktionsfolgen von natürlich ablaufenden chemischen Reaktionen abgeleitet sein. Sophia Rauscher und Joseph Moran von der Universität Straßburg untersuchten nun einen Abschnitt des sogenannten reduktiven Krebszyklus, eines biochemischen Prozesses, der von manchen Mikroorganismen zur Kohlenstofffixierung genutzt wird. In drei Stufen wird in diesem Prozess das kleine organische Oxalacetat zu Succinat (dem Salz der Bernsteinsäure) hydriert und dehydratisiert.

Im zellulären Prozess geschieht die Hydrierung, die Anlagerung von elementarem Wasserstoff, mit der Hilfe von Enzymen. Um eine Hydrierung zu simulieren, wie sie auf einer noch unbelebten Erde vor drei bis vier Milliarden Jahren abgelaufen sein könnte, verwendeten Rauscher und Moran elementaren Wasserstoff und Metallkatalysatoren. Sie begründeten ihre Wahl damit, dass Wasserstoff in natürlichen geologischen Prozessen gebildet wird und sich in Reservoirs im Boden oder in Hydrothermalquellen anreichern kann. Darüber hinaus brachten Meteoriten, die die Erde in dieser Zeit zahlreich trafen, Metalle mit sich.

Im Experiment bildete sich bereits unter milden Reaktionsbedingungen aus Oxalacetat Malat, was den ersten Hydrierungsschritt nachbildet. Nach einer Dehydratisierung von Malat zu Fumarat entstand in einer weiteren Hydrierung Succinat – was der gleichen Reihenfolge an Reaktionen entspricht wie im reduktiven Krebszyklus. Metalle wie Nickel und sogar reines Meteoritenpulver katalysierten die Reaktionen. Diese Befunde weisen womöglich auf die Ursprünge einiger fundamentalen Stoffwechselwege hin, schreiben die Autoren.

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