RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

Das Leben, wie wir es kennen, basiert auf einer Partnerschaft zwischen zwei sehr unterschiedlichen Arten von Molekülen. Die eine Art, die Nukleinsäuren, fungiert als Bibliothek des Lebens und speichert die Anweisungen für den Bau von allem anderen. Die andere Art, die Proteine, fungiert als Arbeitskraft und führt die chemischen Aufgaben aus, die eine Zelle am Leben und am Wachsen halten. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler darüber gerätselt, wie diese Partnerschaft begann. Die vorherrschende Idee, bekannt als die RNA-Welt-Hypothese, legt nahe, dass das Leben mit nur einem dieser Akteure begann: RNA, die sowohl Informationen speichern als auch einige chemische Arbeiten leisten konnte. Diese Sichtweise hat jedoch Schwierigkeiten zu erklären, wie ein einziges Molekül beide Rollen perfekt genug erfüllen konnte, um eine Abstammungslinie zu starten, die überlebt und sich entwickelt. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Proteine zuerst kamen, aber sie besitzen nicht die Fähigkeit, sich selbst zuverlässig zu kopieren. Die zentrale Frage bleibt: Wie haben diese zwei unterschiedlichen Systeme ihre Kräfte gebündelt, um die ersten lebenden Zellen zu erschaffen?

Zwei Forscher an der Stony Brook University, Mohamed Swailem und Ken A. Dill, haben einen neuen Weg vorgeschlagen, über diese Entstehungsgeschichte nachzudenken. Anstatt zu fragen, welches Molekül zuerst kam, fragen sie, wie die beiden von Anfang an einander beim Überleben hätten helfen können. Ihre Arbeit legt nahe, dass der Schlüssel nicht in der Perfektion eines der beiden Moleküle lag, sondern in einer Arbeitsteilung, die es ihnen ermöglichte, einander in die Existenz zu katapultieren. Indem sie die Stärken beider kombinierten, argumentieren sie, konnte das Leben entstehen, selbst wenn die einzelnen Teile weit entfernt von perfekt waren.

Um ihre Argumentation zu verstehen, hilft es, sich anzusehen, wie die Evolution als ein Prozess von Versuch und Irrtum funktioniert. Stellen Sie sich eine Population einfacher, selbstreproduzierender Moleküle vor. Gelegentlich geschieht bei der Kopie ein Fehler, wodurch eine neue Version entsteht. Wenn diese neue Version besser darin ist, zu überleben oder Kopien zu erstellen, wird sie häufiger vorkommen, während die schwächeren Versionen verschwinden. Dies ist der Motor der natürlichen Selektion. Aber damit dieser Motor laufen kann, müssen zwei verschiedene Dinge geschehen: ein Weg, um zufällige Veränderungen zu erzeugen (den Versuch), und ein Weg, um zu testen, welche Veränderungen besser sind (den Irrtum). Die Forscher argumentieren, dass die zwei Arten von Molekülen in unseren Zellen perfekt für diese getrennten Aufgaben geeignet sind.

Nukleinsäuren, wie DNA und RNA, sind steif und stabil. Ihre Struktur ermöglicht es ihnen, Informationen zu speichern, ohne leicht von ihrer Umgebung beeinflusst zu werden. Sie eignen sich hervorragend als Blaupause, indem sie Anweisungen tragen, ohne diese zu verändern. Sie sind jedoch nicht besonders gut darin, chemische Arbeit zu leisten. Proteine hingegen sind flexibel und vielfältig. Sie falten sich in komplexe Formen, die es ihnen ermöglichen, als Werkzeuge zu fungieren, Reaktionen zu beschleunigen und Strukturen aufzubauen. Aber Proteine sind schlecht darin, Informationen zu speichern; sie sind schwierig zu lesen und präzise zu kopieren. Aus Sicht der Forscher benötigte die Evolution ein System, in dem der „Bauplan“ zufällig verändert werden konnte, ohne Voreingenommenheit, während die „Werkzeuge“ auf ihre Fähigkeit getestet werden konnten, dem System beim Wachsen zu helfen.

Die Autoren erstellten ein Computermodell, um zu testen, was passiert, wenn diese beiden Moleküle interagieren. Sie begannen mit einem Szenario, in dem keines der Moleküle besonders gut seine Aufgabe erfüllte. Die Nukleinsäuren waren nicht sehr genau bei der Kopie ihrer selbst, und die Proteine waren nicht besonders gut darin, bei dieser Kopie zu helfen. In einer Welt, in der diese Moleküle allein agierten, würden sie einfach verblassen. Das Modell zeigte, dass die Population dieser Moleküle ohne Hilfe schrumpfen würde, bis sie verschwand, unfähig, die Rate, mit der sie zerfielen oder verdünnt wurden, zu überwinden.

Als die Forscher jedoch erlaubten, dass die beiden Moleküle zusammenarbeiteten, änderte sich das Ergebnis dramatisch. In ihrem Modell halfen die Proteine den Nukleinsäuren, sich effektiver zu kopieren, während die Nukleinsäuren die Anweisungen zur Herstellung der Proteine lieferten. Dies erzeugte eine Rückkopplungsschleife. Selbst wenn die Kopie ungenau war und die Proteine nur mäßig hilfreich waren, ermöglichte die Kombination dem System zu wachsen. Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Moleküle sich gegenseitig retten konnten. Eine Nukleinsäure, die nicht sehr gut im Kopieren war, konnte überleben, wenn sie mit einem Protein gepaart war, das sehr gut darin war, dabei zu helfen. Umgekehrt konnte ein Protein, das nicht sehr effizient war, fortbestehen, wenn es mit einer Nukleinsäure gepaart war, die sehr genau war.

Diese Beziehung ist das, was die Forscher eine „Pareto-Front“ nennen, ein Konzept, das eine Situation beschreibt, in der man einen Vorteil gegen einen anderen eintauschen kann. In ihren Simulationen fanden sie eine klare Grenze zwischen einer Welt, in der die Moleküle aussterben, und einer Welt, in der sie gedeihen. Auf einer Seite dieser Linie sind die Moleküle zu schwach, um zu überleben. Auf der anderen Seite bilden sie eine kooperative Einheit, die wächst und fortbesteht. Die auffälligste Erkenntnis ist, dass dieser Übergang nicht voraussetzt, dass beide Moleküle perfekt sind. Es reicht aus, dass sie gemeinsam gut genug sind. Das Modell zeigt, dass ein System mit schlechten Nukleinsäuren und starken Proteinen genauso gut überleben kann wie ein System mit starken Nukleinsäuren und schlechten Proteinen, solange sie miteinander verknüpft sind.

Die Forscher untersuchten auch, wie lange diese Systeme bestehen konnten. Sie fanden heraus, dass ein einzelnes Molekül, das allein agiert, ein sehr kurzes Leben hat. Es zerfällt schnell, und ohne eine Möglichkeit, sich selbst genau zu kopieren, endet seine Abstammungslinie fast unmittelbar. Doch wenn die beiden Moleküle ihre Kräfte bündeln, gewinnt das gesamte System ein viel längeres Leben. Die Abstammungslinie dieser kooperativen Einheiten kann lange Zeit fortbestehen, viel länger, als ein einzelnes Molekül allein überleben könnte. Diese Beständigkeit ist das, was die Forscher als den wahren Beginn des Lebens identifizieren: den Übergang von kurzlebigen chemischen Reaktionen zu langlebigen Abstammungslinien, die sich entwickeln können.

Dieses Modell stellt die Vorstellung infrage, dass das Leben mit einem einzigen, perfekten Molekül begonnen haben muss, das alles tun kann. Stattdessen deutet es darauf, dass das Leben mit einer Partnerschaft begann. Die Forscher argumentieren, dass der Übergang von der Chemie zur Biologie kein plötzlicher Sprung zur Perfektion war, sondern ein gradueller Prozess, in dem zwei unperfekte Systeme lernten, sich aufeinander zu verlassen. Die Proteine lieferten die funktionale Fitness, die dem System half zu wachsen und sich anzupassen, während die Nukleinsäuren die Vererbbarkeit lieferten, um sicherzustellen, dass die erfolgreichen Kombinationen weitergegeben wurden.

Die Autoren betonen vorsichtig, dass es sich bei ihrer Arbeit um eine Simulation handelt, eine mathematische Untersuchung dessen, wie diese Dynamiken funktionieren könnten. Sie behaupten nicht, das exakte historische Ereignis entdeckt zu haben, das das Leben startete, sondern vielmehr gezeigt zu haben, dass ein plausibler physikalischer Mechanismus existiert, der die Entstehung des Lebens wahrscheinlicher macht. Ihr Modell zeigt, dass das „Eigen-Paradoxon“ – die Idee, dass man gute Proteine braucht, um gute Nukleinsäuren zu machen, und gute Nukleinsäuren, um gute Proteine zu machen, was ein Dilemma erzeugt – durch Kooperation gelöst werden kann. Durch das Teilen der Last können die beiden Moleküle die Einschränkungen überwinden, die eines von ihnen allein zum Scheitern gebracht hätten.

Am Ende bietet die Arbeit eine leise, aber kraftvolle Einsicht: Der Ursprung des Lebens war vielleicht nicht die Suche nach einem einzigen, wunderbaren Molekül. Es könnte darum gegangen sein, dass zwei verschiedene Arten von Molekülen einen Weg fanden, zusammenzuhalten. Das eine lieferte das Gedächtnis, das andere den Muskel. Gemeinsam schufen sie ein System, das größer war als die Summe seiner Teile, und ermöglichten es den ersten Abstammungslinien, lange genug zu bestehen, um sich zu dem komplexen Leben zu entwickeln, das wir heute sehen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass diese Arbeitsteilung, bei der ein Molekül den Plan speichert und das andere die Maschine baut, nicht nur ein Merkmal des modernen Lebens ist, sondern das sehr Fundament, das das Leben überhaupt erst möglich gemacht hat.