DÜSSELDORF / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Forschungsteam unter Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf rekonstruiert, wie frühe Stoffwechselprozesse in hydrothermalen Quellen entstanden. Die Daten deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahr (LUCA) nur für etwa die Hälfte der Reaktionen Enzyme besaß, der Rest lief über natürlich vorkommende Metalle. Außerdem wird eine alternative Energiequelle metabolischen Ursprungs beschrieben, die Phosphorylierungsreaktionen ohne ATP nahelegt. Damit rückt ein Modell in den Fokus, wonach Bakterien und Archaeen den Schritt vom Quellendasein zum frei lebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen.
Die Entstehung des Lebens galt lange als Frage nach einem singulären „Startpunkt“: Wann begann der Stoffwechsel, wo kam die erste genetische Information her und warum konnten aus einfachen chemischen Reaktionen stabile Systeme werden? Eine neue Studie, veröffentlicht in Science Advances, verschiebt diese Perspektive deutlich. Im Zentrum steht die frühe Evolution einzelliger Linien, die ohne Zellkern auskommen, und damit vor allem die Frage, wie aus hydrothermalen Umgebungen jene Mechanismen entstanden, die später den Lebenszyklus moderner Organismen prägen.
Ein Ausgangspunkt der Arbeit ist die Rekonstruktion früher Stoffwechselwege über mehrere Ebenen: Genome, Proteinstrukturen und die chemischen Reaktionsfolgen, die in heutigen Zellen weiterhin in Funktion sind. Betrachtet werden dabei 420 chemische Reaktionen, mit denen Zellen Bausteine wie Aminosäuren, RNA-Basen und Vitamine aus Ausgangsstoffen wie Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid herstellen. Der methodische Kniff liegt darin, nicht nur einzelne Enzyme zu vergleichen, sondern die Reaktionsarchitektur als „Spur“ der zeitlichen Entwicklung zu lesen. Daraus ergibt sich ein zeitlich abgestuftes Bild, bei dem zunächst metallkatalysierte Prozesse dominierten, bevor später ein hybrider Modus mit sowohl metallischen als auch enzymatischen Katalysatoren einsetzte.
Besonders aufschlussreich ist, was der letzte gemeinsame Vorfahr aller heutigen Zellen, LUCA, nach den Analysen bereitstellen konnte. Den Ergebnissen zufolge existierten Enzyme nur für ungefähr die Hälfte der betrachteten Stoffwechselreaktionen; die übrigen Prozesse wurden offenbar durch natürlich vorkommende Metalle ermöglicht. Dass Metalle aus hydrothermalen Quellen eine katalytische Lücke schließen können, ist chemisch plausibel, aber entscheidend ist hier die Reichweite: Die Arbeit argumentiert, dass solche Metalloberflächen oder Metallzentren eine große Zahl von Enzymfunktionen teilweise ersetzen können. Gleichzeitig zeigt der Abgleich zwischen beiden Lebenslinien eine bemerkenswerte Asymmetrie: Trotz identischer Reaktionsziele sind die Enzyme von Bakterien und Archaeen strukturell nicht miteinander verwandt, was auf unabhängige „Erfindungen“ der molekularen Werkzeuge für dieselben zentralen chemischen Schritte hindeutet.
Die Studie beschreibt zudem vier Entwicklungsphasen, die diese Idee in eine Evolutionslogik übersetzen. Zunächst standen ausschließlich metallkatalysierte Reaktionen im Vordergrund, danach entstand mit LUCA ein System, das beide Katalysearten kombinierte. Erst in der Folge trennten sich die Entwicklungslinien von Bakterien und Archaeen, wobei beide Linien unabhängig voneinander unterschiedliche Enzyme entwickelten, um dieselben essenziellen Reaktionen anzustoßen. Solche parallelen Entwicklungen könnten, so die Leitargumentation der Forschenden, den Übergang in Richtung frei lebender Organismen unterstützt haben, weil die Systeme dadurch weniger stark von einer einzelnen Umweltkomponente abhängig wurden. Über den chemischen Unterbau hinaus liefert das Modell damit auch eine „Entscheidung“ für die Evolutionskinetik: Der wichtigste Umbau verlief nicht nur einmal, sondern zweimal – und zwar in getrennten Linien.
Damit bleibt eine zweite zentrale offene Frage der Frühbiologie: Wie liefen frühe Stoffwechselprozesse überhaupt ab, wenn das heute allgegenwärtige Energiemolekül ATP noch nicht verfügbar oder nicht etabliert war? Die Autoren schlagen dafür eine andere Lösung vor und nennen als identifizierte Energiequelle Phosphit und Palladium. Die beiden Stoffe könnten frühe Phosphorylierungsreaktionen ermöglichen, in denen ATP und entsprechende Enzyme zumindest teilweise ersetzt werden. Entscheidend ist hier der funktionale Ersatz: Phosphorylierungsreaktionen sind nicht nur „Energieübertragung“, sondern auch ein Taktgeber für viele Folgereaktionen im Stoffwechsel. Wird dieser Schritt plausibel ohne ATP beschrieben, dann wird die Schwelle vom rein chemisch getriebenen Gleichgewicht hin zu regelhaften, zyklischen Reaktionsketten wesentlich realistischer.
Methodisch setzt die Studie auf ein neu entwickeltes mathematisches Verfahren, das die betrachteten Stoffwechselreaktionen nach ihrer vermuteten Entstehungsreihenfolge ordnet. Genau diese zeitliche Sortierung macht aus einer großen Menge chemischer Daten ein Muster, das sich wie eine Evolutionschronologie lesen lässt. Das Ergebnis wird dabei nicht als reine Spekulation verkauft, sondern als konsistente Schlussfolgerung aus den beobachteten Reaktions- und Enzymzusammenhängen: Bakterien und Archaea sollen den Übergang von den Hydrothermalquellen zum frei lebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen haben. Der Satz „Es gibt einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens“ fasst diese Trennung von Information (Code) und System (Lebensform) pointiert zusammen und erinnert daran, dass Evolution nicht zwingend mit einem einzigen Werkzeugkasten beginnt.
Für Unternehmen und Forschungsorganisationen mit Blick auf KI-gestützte Biologie liegt der praktische Wert weniger in der unmittelbaren „Labornachstellung“ solcher Frühmodelle, sondern in der Logik des Vorgehens: Struktur- und Reaktionsvergleiche lassen sich so koppeln, dass aus komplexen molekularen Daten eine belastbare Hypothese über Reihenfolgen entsteht. Solche Modelle sind wiederum anschlussfähig an moderne Simulationen, zum Beispiel wenn man chemo-thermodynamische Constraints mit datengetriebenen Modellierungsverfahren kombiniert. In der Breite bedeutet das: Wenn die frühe Evolution tatsächlich zwei getrennte Wege hatte, dann sollten auch heutige Suchstrategien nach vorbiotischen Pfaden und alternativen Energie- und Katalyseschritten stärker danach fragen, welche Komponenten in unterschiedlichen Linien unabhängig optimiert wurden.
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