Präbiotische Chemie – vom Stoffwechsel aus gedacht/Trendbericht Biochemie 2026 3/4

Bei der Frage, wie das Leben entstehen hätte können, diskutieren Forschende die Rolle von Metallen und Coenzymen bei der Entstehung eines ersten Metabolismus.

Präbiotische Chemie – vom Stoffwechsel aus gedacht

Es gibt unterschiedliche Haltungen und Herangehensweisen in der präbiotischen Chemie, die häufig als entgegengesetzt dargestellt werden. Eine der stärksten Unterscheidungen: Baute sich die präbiotische Chemie kleinteilig über protometabolische Netzwerke, die dem heutigen Stoffwechsel vorausgingen, zu einem komplexen System samt Informationspolymeren? Oder mussten sich zunächst komplexere Moleküle wie RNA aufbauen, gleichermaßen katalysieren und replizieren und so den Rest des Stoffwechsels rekrutieren?

Lange wurde in der Forschung um die Entstehung des Lebens viel am Leben vorbeigedacht. Die Phylogenetik, also die Abstammungsforschung, schlug dann eine Brücke vom Leben heute zu früher. Dadurch wurden die Blickwinkel der Biologie und Biochemie präsent in der Forschung und zur Diskussion der Abiogenese. Seither sind eher biologische Sichtweisen in Ansätzen vertreten, die sich mit der Entwicklung protometabolischer Netzwerke beschäftigen.

Das Leben auf der Erde ist vor etwa vier Milliarden Jahren entstanden. Die älteste Momentaufnahme einer Zellphysiologie, die wir phylogenetisch erreichen können, heißt „letzter universeller gemeinsamer Vorfahre” (Last universal common ancestor, Luca). Luca wurde kürzlich aktualisiert und dabei nicht mehr als einzelne Vorgängerzelle, sondern als mikrobielle Gemeinschaft deklariert.¹⁾ Diese Gemeinschaft basierte ihren Kohlenstoff- und Energiestoffwechsel auf der Reaktion von CO₂ mit H₂, mit dem Wood-Ljungdahl-Weg der CO₂-Fixierung. Diesen Stoffwechselweg nutzen bis heute anaerobe, autotrophe Organismen wie Methanogene oder Acetogene, die Methan beziehungsweise Essigsäure ausstoßen.

Es finden sich erstaunliche Parallelen zwischen dem Kohlenstoffwechsel von Luca und der Geochemie einer jungen Erde.^2–5) Der gemeinsame Nenner zwischen Lucas Enzymen und geochemisch aktiven Umgebungen: Übergangsmetalle. In den vergangenen fünf Jahren haben Forschende begonnen zu verstehen, wie die Katalyse eines Primärmetabolismus ablaufen konnte, bevor es Enzyme oder RNA gab. So wurden mit Metallionen und Mineraloberflächen organische Säuren, Zucker, Aminosäuren und Nukleobasen hergestellt^6–9) – oftmals mechanistisch frappierend ähnlich zu heutiger Biochemie. Nur eben ohne Enzyme als Katalysatoren.

Von Mineralien und Metallionen zu Enzymen

Enzyme sind komplexer als Mineralien, weshalb auch an Übergangsmodellen geforscht wurde. In den Fokus protometabolischer Hypothesen rückten dabei Coenzyme, also organische Cofaktoren und damit Helfermoleküle für Enzyme,^10–12) auch basierend auf Lucas Stoffwechsel. Coenzyme versorgen Enzyme mit wichtigen Reaktionspartnern und funktionellen Gruppen, darunter Hydride, Elektronen sowie Amino-, Carboxyl-, Methyl- und Acetylgruppen. Wichtig dabei: Coenzyme werden nicht verbraucht, sie recyceln sich und sind dadurch perfekte Kandidaten, präenzymatische Chemie zu unterstützen und beim Aufbau stoffwechselartiger Netzwerke zu helfen.

Da Coenzyme bereits in den 60er und 70 Jahren und nochmal in den 90ern im Fokus der Forschung zur Entstehung des Lebens waren,¹³⁾ wurden sich schon viele Gedanken gemacht, wie sie präbiotisch synthetisiert wurden – nun sind neue Wege und Coenzyme dazugekommen.^14,15)

Doch der eigentliche Fokus der vergangenen Jahre lag darin, die chemischen Eigenschaften von Coenzymen ohne ihre Enzymverpackung zu erforschen. Also können diese – im Vergleich zu Enzymen – simplen Biomoleküle ungerichteten, durch Mineralien oder Metallionen katalysierten, chemischen Reaktionen eine Richtung verleihen, in denen sie die Reaktionen verstärken (Abbildung 1)? Die kurze Antwort: Ja, können sie.

Das Coenzym Pyridoxal (PL) erhöht den katalytischen Effekt von Metallionen bei Transaminierungen, also dem Transfer einer Aminogruppe von einer Aminosäure auf eine α-Ketosäure.¹⁶⁾ PL katalysiert außerdem reduktive Aminierung auf Metalloberflächen mit H₂ als Elektronenlieferant.¹⁷⁾ Auch bei der Phosphorylierung unterstützt das Coenzym-Metallionen-Paar, genauer gesagt katalysiert ein ADP-Fe³⁺-Komplex die Phosphorylierung von Ribonukleotiden mit Acetyl-Phosphat.¹⁸⁾ In diesem Ergebnis spiegelt sich ein weiterer, grundlegender Aspekt: Coenzyme könnten mechanistische Schlüssel dazu sein, autokatalytische, selbstverstärkende chemische Schleifen aufzubauen – ein wichtiger Schritt Richtung komplexerer chemischer Netzwerke.

Coenzyme lassen sich auch als Möglichkeit sehen, Funktionalität von der geochemischen Umgebung zu lösen, also unabhängig von der Umwelt zu werden – direkter Kontakt mit Mineraloberflächen ist nicht mehr nötig, um Elektronen zu erhalten.

Dies wurde vor allem mit dem Redox-Coenzym NAD gezeigt, sowohl in homogener Lösung als auch in Interaktion mit Mineraloberflächen.^19–21) Auch Ferredoxin, ein kleines eisensulfidhaltiges Protein, das im Stoffwechsel hochenergetische Elektronen liefert, lässt sich mit Eisen und Wasserstoff reduzieren.²²⁾ NAD lässt sich unter nichtenzymatischen Bedingungen reduzieren und fungiert zusätzlich als Elektronendonor ohne Enzym²³⁾ – und zwar besonders gut, wenn beispielsweise Fe³⁺-Ionen zu Verfügung stehen.²⁴⁾

Die Struktur von Coenzymen

Auch die Struktur von Coenzymen beschäftigte Forschende vermehrt in den letzten Jahren: Viele Coenzyme basieren auf einem Molekül, das sich nicht an der chemischen Funktion der Coenzyme wie Elektronen- oder Methyltransfer beteiligt: Adenosin oder Adenosinmonophosphat (Abbildung 2).

Oft als reine Erkennungsstruktur für Enzyme gesehen, zeigten Studien der vergangenen Jahre: Diese Anhängsel können beispielsweise die Funktionalität oder Spezifizität des Redox-Coenzyms NAD unter nichtenzymatischen Bedingungen in Anwesenheit von Mineralien oder Metallionen aktiv erhalten.^26,27) Diese Erkenntnisse helfen einzuschätzen, welche Eigenschaften ein Coenzym in einer präenzymatischen Welt einsetzbar gemacht hätten. Weiter gedacht heißt das auch: Eine geochemische Selektion wichtiger Biomoleküle, bei der nicht evolutionärer Druck, sondern die geochemische Umgebung Biomoleküle nach Stabilität oder Funktionalität ausgewählt hat, könnte möglich gewesen sein, bevor diese mit Peptiden oder anderen Enzymvorläufern in Kontakt kamen (Abbildung 1).

Auch eine Coevolution von Coenzymen und Enzymen, etwa hinsichtlich Bindungsstellen, lässt sich durch solche Untersuchungen künftig besser verstehen. Dazu muss bekannt sein, welche Molekülstrukturen eher durch selektiven Druck aus der Umwelt oder selektiven Druck innerhalb der Enzymevolution entstanden sind.

Alles in allem überzeugten Coenzyme in den vergangen Jahren davon, dass sie Geo- und Biochemie verbinden können, auch wenn die katalytischen Eigenschaften weiterer Coenzyme und auch ihre Interaktionen untereinander noch nicht kartiert sind.

Die Frage nach dem Wo

Die Frage, wo solche präbiotischen Reaktionen hätten stattfinden können, ist schwierig zu beantworten – zu wenig ist über die frühe Erde bekannt. Die präbiotische Chemie wird sich oft so gemacht, wie sie gefällt (oder vielmehr: wie sie den Synthesen gefällt), und danach wird geschaut, wo sich diese Laborbedingungen auf der frühen Erde finden lassen.

Sich auf die Biologie und damit Luca zu berufen ist die Alternative – denn das Einzige, was wir als Beweis für die Entstehung des Lebens haben, ist das Leben selbst. Doch niemand weiß, wie groß die Lücke zwischen Luca und präbiotischen, geochemischen Reaktionen ist. Dies ist eines der schwer wiegenden Argumente gegen den hier präsentierten Ansatz, teils starke Mechanismusparallelen zwischen präbiotischer und biotischer Chemie zu suchen. Doch die Zeitspanne zwischen den ersten präbiotischen Reaktionen und Luca (100 bis 300 Mio. Jahre) ist kürzer als die Zeitspanne zwischen Einzellern und Mehrzellern (2 bis 3 Mrd. Jahre). Manche Forschende nehmen an, dass Luca oder seine Vorläufer nicht nur in einer geologisch stabilen Umgebung gelebt haben, sondern dort auch entstanden sind. Das heißt, man kann durch den rekonstruierten Stoffwechsel Lucas eine geochemische Umgebung ableiten, die den Anforderungen dieser frühen Organismen entspricht. Vielleicht lässt sich dadurch auch den Anforderungen der Lebensentstehung, darunter die Anwesenheit von H₂, CO₂, Übergangsmetallen und NH₃, gerecht werden. Viele Forschende sehen diese Anforderungen in serpentinisierenden Systemen gedeckt, also eisenhaltigem Gestein, das mit Wasser reagiert und dabei ständig H₂ herstellt. Heute finden wir solche Systeme in der ozeanischen Kruste der Erde, aber es gilt als relativ sicher, dass solche Systeme auch auf der frühen Erde existierten. Wie kürzlich nachgewiesen wurde, beherbergt(e) auch unser Nachbar Mars solche Systeme.²⁸⁾ Es sind also universelle geochemische Systeme, unter deren Bedingungen viele der Reaktionen in diesem Artikel funktionieren.

Drei Fragen an die Autorin: Martina Preiner

Was würden Sie gerne entdecken oder herausfinden?

Unrealistisch: Ursprung des genetischen Codes in Abhängigkeit zur Entstehung des Stoffwechsels.

Vielleicht realistischer: Ob Coenzyme und Enzyme sich abhängig voneinander entwickelt haben.

Ich wäre aber auch zufrieden, wenn andere das statt mir (oder mit mir) herausfinden.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Wir verbinden Geo- und Biochemie mit Mineralien als Enzymvorläufer. Dazu wenden wir biochemische Prinzipien auf geochemische Reaktionen an.

Was brauchen Sie heute im Beruf, was Sie im Studium nicht gelernt haben?

Geochemie, Pädagogik und am allerwichtigsten: Geduld. Letztgenannte bringt mir aber glücklicherweise meine Tochter jeden Tag aufs Neue bei.

Martina Preiner leitet seit 2023 eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, die sich mit Coenzymen zur aktiven Verknüpfung von Geo- und Biochemie beschäftigt. Sie studierte Chemie und Biochemie an der Universität München und arbeitete anschließend sieben Jahre lang als Wissenschaftsjournalistin. Ein Interview mit einem Forscher zur Entstehung des Lebens sorgte dafür, dass sie an der Universität Düsseldorf promovierte. Anschließend absolvierte sie einen Postdoc an der Universität Utrecht und dem Royal Netherlands Institute for Searesearch (NIOZ) zu Tiefsee-Hydrothermalsystemen.

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