Was gab den ersten Molekülen ihre Stabilität?

Im Labor nutzten die Forschenden von TUM und LMU ein Modellsystem von RNA-Basen, das einfacher Bindungen eingeht als die natürlich vorkommenden Basen in unseren heutigen Zellen. „Wir hatten schließlich keine Millionen Jahre Zeit, sondern wollten schnell eine Antwort“, erklärt Boekhoven. Das Team gab diese schnellbindenden RNA-Basen in eine wässrige Lösung, gab eine Energiequelle hinzu und überprüfte, wie lang die gebildeten RNA-Moleküle waren. Das ernüchternde Ergebnis: Die gebildeten Stränge von bis zu fünf Basenpaaren Länge überlebten nur wenige Minuten.

Anders sah es aus, als die Forschenden zu Beginn auch kurze Stränge von fertiger RNA hinzugaben. An diese lagerten sich die freien komplementären Basen schnell an, ein Vorgang der als Hybridisierung bezeichnet wird. Es entstanden Doppelstränge von drei bis fünf Basenpaaren Länge, die über viele Stunden hinweg stabil waren. „Das Spannende daran ist, dass Doppelstränge zur Faltung von RNA führen, wodurch diese katalytisch aktiv werden kann“, erklärt Boekhoven. Die Doppelstrang-RNA hat also zwei Vorteile: Sie verlängert die Lebensdauer des Moleküls in der Ursuppe und sie bildet die Grundlage für katalytisch aktive RNA.

Wie aber kann ein Doppelstrang in der Ursuppe entstanden sein? „Wir testen gerade, ob es möglich ist, dass die RNAs ihren eignen komplementären Strang bilden können“, sagt der Chemiker. Es wäre denkbar, dass sich ein Molekül aus drei Basen mit einem Molekül aus drei komplementären Basen zusammenlagert – das Produkt wäre ein stabiler Doppelstrang. Dank seiner längeren Lebensdauer könnten sich dann weitere Basen an ihn anlagern und der Strang würde wachsen.

Noch eine weitere Eigenschaft von Doppelstrang-RNA könnte sich positiv auf die Entstehung des Lebens ausgewirkt haben. Dazu muss man zunächst wissen, dass RNA-Moleküle auch sogenannte Protozellen bilden können, kleine Tröpfchen, deren Innenraum von der Außenwelt abgeschnitten ist. Diese Protozellen haben jedoch keine stabile Zellmembran. Sie können daher einfach fusionieren und dabei ihre Inhalte vermischen. Für die Evolution ist das schlecht, denn es verhindert, dass einzelne Protozellen eine eigene Identität entwickeln. Besteht der Rand der Protozelle hingegen aus Doppelstrang-RNA, wird er stabiler und Fusionen werden erschwert.

In Zukunft möchte Job Boekhoven weiter daran arbeiten, die Entstehung und Stabilisierung der ersten RNA-Moleküle zu verstehen. „Manche Menschen denken, diese Forschung sei so eine Art Hobby, dabei haben während der Corona-Pandemie alle Leute gesehen, wie wichtig RNA-Moleküle zum Beispiel für Impfstoffe sein können“, sagt Boekhoven. „Unsere Forschung will also nicht nur eine der ältesten Fragen der Wissenschaft beantworten. Wir generieren dabei auch Wissen über RNA, das vielen Menschen zunutze kommen könnte.“