Magazin

Prof. Dr.

Den Pionieren der organischen Geochemie ist die grundlegende Erkenntnis zu verdanken, dass organische Stoffe wie Erdöl biologischer Herkunft sind. Allen voran stehen die Arbeiten von Alfred Treibs (1899 — 1983) aus den 1930er Jahren. In diesen stellte er eine gedankliche Verbindung zwischen organischer Materie in Steinen und urzeitlichem Leben her: Die aus dem triassischen “Stinkschiefer” des Karwendel-Gebirges isolierten roten Porphyrine (in erster Linie Desoxophylloerythro-ätioporphyrin oder dessen Nickel- und Vanadylkomplexe) sollten demnach aus dem Chlorophyll a des Planktons längst vergangener Meere stammen (Abbildung 1).1 Mit dieser Hypothese begründete er die organische Geochemie und das Konzept der Biomarker.
So wie unter günstigen Bedingungen das Skelett eines Lebewesens fossil überliefert wird, so wird auch das Molekülskelett als Chemofossil überliefert. Aber erst gut dreißig Jahre nach Treibs' Vorarbeiten entwickelten Forscher wie Guy Ourisson, Geoffrey Eglinton oder Melvin Calvin dieses Gebiet systematisch, indem sie die neuen Analysenmethoden Säulen- und Gaschromatographie sowie Massenspektrometrie heranzogen.2
 Gegenwärtig sind eine große Zahl fossiler Moleküle bekannt, die für ihren Ursprung aus bestimmten Organismen charakteristisch sind. Aber auch aus der relativen Häufigkeit bestimmter Biomarker und der Verteilung stabiler Isotope (wie 13C/12C) lassen sich Rückschlüsse auf die Bedingungen ziehen, unter denen diese Organismen gelebt haben, und die Bedingungen ihres diagenetischen Abbaus (also unter welcher Temperatur und welchem Druck sich die Sedimente verfestigt und in Gesteine umgewandelt haben) ableiten. Dies ist vor allem bei der Suche nach Erdöllagerstätten von Interesse.3,4
Alkenone mit einer Kettenlänge von 37 bis 39 Kohlenstoffatomen sind beispielsweise charakteristisch für planktonische Kalkalgen (Abbildung 2a, S. 518). Bei fossilen Sedimenten werden sie zur Rekonstruktion von Paläowassertemperaturen herangezogen;5 diagenetisch entstehen schließlich langkettige n-Alkane. Crocetan, das seinen Ursprung im Croceten der anaeroben methanogenen Archaea hat (Abbildung 2b, S. 518), zählt zu den zahlreichen isoprenoiden Verbindungen.6 Ein Hauptbestandteil des Harzes von Koniferen ist die Abietinsäure, die diagenetisch zum Fichtelit reduziert wird (Abbildung 2c, S. 518).7 Für Blütenpflanzen ist das Triterpen b-Amyrin charakteristisch, dessen Skelett a-Oleanan sich in den fossilen Sedimenten findet (Abbildung 2d).8 Eukaryonten, darunter vor allem Tiere, produzieren Cholesterin, von welchem man Cholestan und daneben auch dessen teilweise aromatisierte Kohlenwasserstoffe als Chemofossilien finden kann (Abbildung 3a, S. 518).9 Auch diagenetische Folgeprodukte von Carotinoiden werden überliefert, so das Isorenieratan, das aus dem Isorenieraten grüner Schwefelbakterien entsteht (Abbildung 3b, S. 518).10 Der isoprenoide Kohlenwasserstoff Biphytan wird als Abbauprodukt komplexer Membranlipide wie Caldarcheol überliefert, wie sie Archaea bilden (Abbildung 3c).11 Schließlich finden sich in Sedimenten auch Aminosäuren, die aus Proteinen stammen und deren Racemisierungsgrad mit dem Alter des Materials korreliert (Abbildung 3d).12


<h2>Farbige, polare Chemofossilien</h2>
 Neben diesen in der Regel apolaren und farblosen Chemofossilien, die nach Extraktion und Anreicherung gut durch GC/MS analysierbar sind, hat sich das Interesse jüngst auch farbigen, polaren Chemofossilien zugewandt. Ihre Analyse gelingt nach saurem Aufschluss der Calcitmatrix und Extraktion mit organischen Lösungsmitteln durch HPLC-MS-Kopplung im Verein mit anderen spektroskopischen Verfahren. Beispiele dafür sind Verbindungen aus violett gefärbten fossilen Seelilien und ähnlich gefärbten Rotalgenfossilien.
 In violett gefärbten fossilen Seelilien mehrerer Arten aus Schichten, deren Alter bis in die Trias (240 Millionen Jahre) zurück reicht, findet man nach saurem Aufschluss und Extraktion mit HPLC-MS-Analyse das Phenanthroperylenchinon13 Hypericin zusammen mit dessen weiteren Diageneseprodukten Desmethylhypericin, Fringelit F und schließlich dem partiell hydrierten Hexahydrophenanthroperylen (Abbildung 4b).14 Strukturell sehr ähnliche bromierte Hypericinderivate (Gymnochrome) kommen noch heute in Seelilien der Tiefsee vor (Abbildung 4a).15
 Saurer Aufschluss und nachfolgende Extraktion mit Dimethylsulfoxid von Knollen der gelegentlich wundervoll rot gefärbten Kalkrotalge Solenopora aus dem Oberjura (Abbildung 5, S. 520) ergeben ein hochkomplexes Gemisch homologer und isomerer Verbindungen. Diese lassen sich mit HPLC-MS in Kombination mit Solvolyse- und Deuteriumaustauschexperimenten sowie mit UV/Vis- und mit 11B-NMR-Spektroskopie als neue Gruppe von Spiroboraten mit kondensierten phenolischen Liganden charakterisieren (Abbildung 5, S. 520).16 Wegen der geringen Verfügbarkeit dieser Borolithochrome genannten fossilen Farbstoffe war bisher noch keine 1H- und 13C-NMR-Studie durchführbar, um Detailstrukturen abzuleiten. Hier böte die Kapillar-NMR-Methode17) eine Möglichkeit zur genaueren Aufklärung der Struktur.
Da es unter den Naturstoffen nur sehr wenige bororganische Verbindungen gibt, sind diese fossilen Farbstoffe vor allem wegen des Vorkommens des Elements Bor ungewöhnlich. Bemerkenswert ist dabei vor allem, dass diese Farbstoffe in der fossilen Überlieferung geographisch und zeitlich weit verbreitet auftreten. In heute lebenden Organismen waren sie aber noch nicht nachweisbar. Möglicherweise ist dies auf ihre leichte Hydrolysierbarkeit im wässrigen Milieu zurückzuführen.
Beispiellos ist wohl die Beobachtung ausgeprägter chiroptischer Signale bei einer Verbindung, die über 150 Millionen Jahre überdauert hat. Die außerordentliche Stabilität sowohl der Hypericine, als auch der Borolithochrome dürfte darauf zurückzuführen sein, dass beide als relativ starke Säuren eine Salzbindung zur Calcitmatrix eingehen. Vermutlich wird das Studium dieser polaren Biomarker noch für weitere Überraschungen gut sein.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Organische Verbindungen in Fossilien und Sedimenten sind wertvolle Biomarker für Erdölprospektion, Paläolebensräume, Evolution und Taxonomie.
Zu den apolaren Biomarkern zählen vor allem Isoprenoide. Diese sind mit GC/MS-Methoden leicht identifizierbar.
Neben diesen apolaren Biomarkern gibt es auch farbige polare Moleküle, wie Phenanthroperylenchinone oder Boro- lithochrome, die an die chemische Analytik höchste Anforderungen stellen.


— — — Heinz Falk, Jahrgang 1939, ist emeritierter Universitätsprofessor für Organische Chemie an der Johannes Kepler Universität Linz, Österreich. Seine Forschungsgebiete liegen im Naturstoffbereich: Synthese, Struktur und Photochemie von Pyrrolfarbstoffen, insbesondere der Gallenfarbstoffe und kondensierten Aromaten, z. B. Hypericin. Klaus Wolkenstein, Jahrgang 1971, studierte Geologie-Paläontologie an der Universität Heidelberg und untersuchte in seiner Promotionsarbeit die Pigmente violett gefärbter fossiler Seelilien. Im Rahmen eines DFG-Forschungsstipendiums führte er an der Johannes Kepler Universität Linz eine vergleichende Studie über Naturstoffe aus fossilen und heutigen Organismen durch.



<ul>
<li>
1 

 
A. E. Treibs, 
<source>Angew. Chem. 
(1936), 
49, 
682.
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<li>
2 

Siehe die hervorragende Monographie: 
S. M. Gaines, 
G. Eglinton, 
J. Rullkötter, 
<source>Echoes of Life — What Fossil Molecules Reveal about Earth History, 2009, <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>.

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<li>
3 


S. Becker, 
<source>Multianalytische Charakterisierung von Erdölen, 1998, <publisher-loc>Göttingen</publisher-loc>.

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4 


K. E. Peters, 
C. C. Walters, 
J. M. Moldowan, 
<source>The Biomarker Guide, 2nd Ed., 2007, <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>.

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F. C. Schroeder, 
M. Gronquist, 
<source>Angew. Chem. 
(2006), 
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728.
</li>
</ul>

Artikel

Spuren des Lebens: Organische Verbindungen im Stein

Den Pionieren der organischen Geochemie ist die grundlegende Erkenntnis zu verdanken, dass organische Stoffe wie Erdöl biologischer Herkunft sind. Allen voran stehen die Arbeiten von Alfred Treibs (1899 — 1983) aus den 1930er Jahren. In diesen stellte er eine gedankliche Verbindung zwischen organ...

Kurioses, Erstaunliches, &Uuml;berraschendes &mdash; was vor 50 Jahren in den &bdquo;Nachrichten aus der Chemie&ldquo; stand, die damals noch &bdquo;Nachrichten aus Chemie und Technik&ldquo; hie&szlig;en.

Vor 50 Jahren

Mit dem Poly-U-Experiment von Heinrich Matthaei und Marshall Nirenberg vor 50 Jahren startete die Entschlüsselung des genetischen Codes. Es sollte sich zeigen, dass dieser Code — bis auf wenige Ausnahmen — universell gültig ist: in Mensch, Maus und Bakterium. Die Entschlüsselung des genetischen Codes machte es möglich, die Vorgänge der Proteinbiosynthese auf molekularer Ebene zu verstehen, und bildet so den Grundstein der Gentechnik.


<h2>Entschlüsselung im Reagenzglas</h2>
In der Zeit nach 1953, als James Watson und Francis Crick die Struktur der DNA bestimmt hatten, und vor der vollständigen Entschlüsselung des genetischen Codes in den 1960er Jahren, machten sich Wissenschaftler Gedanken, wie sich eine Abfolge von Nukleotiden in eine Abfolge von Aminosäuren übersetzen lässt. So wie im Morse-Code könnten häufige Aminosäuren mit nur einem einzigen Nukleotid codiert sein, um die Genomgröße zu minimieren. Schon bald jedoch galt aufgrund theoretischer Überlegungen eine Triplett-Codierung — jeweils drei Nukleotide stehen für eine Aminosäure — als wahrscheinlich.
 Die biochemischen Experimente von Marshall W. Nirenberg (1927 — 2010) und Heinrich Matthaei (geb. 1929 ) wischten schließlich alle verbliebenen Spekulationen1 vom Tisch:
Der Biochemiker Marshall Nirenberg arbeitete seit seiner Promotion im Jahr 1957 an den National Institutes of Health (NIH) in Bethesda in Maryland mit dem Ziel, den molekularen Informationsfluss von der DNA zum Protein aufzuklären. Ende 1960 stieß Heinrich Matthaei als DAAD-Stipendiat zu Nirenberg. Zwei Jahre jünger als Nirenberg, hatte Matthaei an der Universität Bonn promoviert und über Proteinsynthese in Pflanzen gearbeitet. Er kam mit dem Wunsch, ein spezifisches Protein in vitro zu synthetisieren, “aber natürlich war ich mir bewusst, dass dies für den Beweis eines genetischen Codes sehr wichtig werden konnte”.2
Nirenberg und Matthaei arbeiteten mit zellfreien Systemen, also mit einem Extrakt aus zerriebenen Bakterien, der die wesentlichen Zellbestandteile wie DNA, mRNA, Ribosomen, Enzyme enthält.3 Radioaktiv markierte Aminosäuren mussten damals die Proteinsynthese messbar machen, weil die in den Experimenten anfallenden Stoffmengen für konventionelle chemische Analysen nicht ausreichten. Im Reagenzglas gaben sie dem Extrakt mRNA, Aminosäuren und ATP zu, um die Proteinsynthese zu aktivieren. Das entstandene Protein fällten sie, filtrierten es ab und detektierten die radioaktive Strahlung.
Nirenberg und Matthaei nutzten zunächst Valin als markierte Aminosäure; die Radioaktivität zeigte sich dann tatsächlich nach einiger Zeit im Säurepräzipitat. Nun behandelten die beiden dieses System weiter, indem sie Enzyme mit bekannter Wirkung zugaben: Ribonuklease (zerstört RNA) beendete die Proteinsynthese sofort, Desoxyribonuklease (zerstört DNA) erst nach einiger Inkubationszeit. Demzufolge baut DNA die RNA auf: Nach der Zerstörung der DNA kann keine RNA mehr entstehen und die Proteinsynthese kommt allmählich zum Stillstand. Was lange nur eine Annahme war, belegten Nirenberg und Matthaei jetzt im Reagenzglas: RNA und nicht DNA ruft den Einbau von Aminosäuren in Proteine hervor. Durch Präinkubieren mit DNAase erzeugten sie ein zellfreies Testsystem, in dem zugesetzte RNA als Bote die Proteinsynthese bewirkt.


<h2>Das Poly-U-Experiment</h2>
Am 21. Mai 1961 — Nirenberg selbst war gerade für drei Wochen nach Kalifornien gereist — gab Matthaei RNA mit der Sequenz ..UUUU.. zum Zellextrakt mit den zwanzig markierten Aminosäuren. Diese RNA, die nur aus Uracil als Nukleobase besteht, war einfach herzustellen und zu handhaben. Tatsächlich wurden dadurch Aminosäuren in Proteine eingebaut. Aber welche? Um herauszufinden, welche Aminosäuren dadurch zu einem Protein aneinander gehängt werden, musste Matthaei in verschiedenen Reaktionsansätzen alle zwanzig Aminosäuren zunächst in Gruppen, zuletzt einzeln durchtesten. Am 27. Mai um 3 Uhr morgens begann die letzte Testreihe. Danach stand fest: Ein oder mehrere U bilden den Code für Phenylalanin (Abbildung 2).
Das erste Wort des genetischen Codes war entschlüsselt. Zuerst musste aber das Polyphenylalanin noch zweifelsfrei charakterisiert werden. Nirenberg — wieder zurück von seiner Reise — übernahm das Experiment. Für Matthaei war es bitter, dass nicht er diesen Beweis führen durfte, obwohl er bereits das Polyphenylalanin für die Analyse vorbereitet hatte. Einige Jahre später erzählte er: “Das hat mich gekränkt, […] er hätte es ein bisschen netter machen können. Von da an war unsere Freundschaft leider schwer angeschlagen, es hat Marshall sehr verdrossen, dass ich das Glück hatte, dieses schöne Experiment zu machen”.4
Auf jeden Fall war nun klar, wie der genetische Code funktioniert. Nirenberg und Matthaei schrieben in ihrer Veröffentlichung in den Proceedings of the National Academy of Sciences: “Poly-U scheint als künstliche Matrize oder mRNA zu dienen, und dieses stabile, zellfreie System aus E. coli könnte vermutlich genauso jedes andere Protein herstellen, je nachdem, welche Information in der zugesetzten RNA enthalten ist.”5
Innerhalb weniger Jahre waren dann alle Codons zugeordnet und der Code entschlüsselt — einschließlich der drei Stopp-Codons, welche die jeweilige Proteinsynthese beenden. Im Jahr 1968 ging der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Nirenberg und außerdem an Har Gobind Khorana, der mit seinen Methoden zur RNA-Synthese einen Großteil des Codes aufklären half, sowie an Robert Holley, der die erste Sequenz einer tRNA aufklärte und darin das Anti-Codon fand.
Matthaei kehrte nach Ablauf seines Stipendiums 1962 nach Deutschland zurück. Mit seinen Arbeitsgruppen entzifferte er in Tübingen und Göttingen — zeitgleich und unabhängig von Nirenberg und Khorana — den gesamten genetischen Code. Seine Ergebnisse stellte er u. a. beim Cold Spring Harbor Symposium 1966 vor, welches den Abschluss der Code-Entzifferung markiert.6


<h2>Variabilität des Genetischen Codes</h2>
Zunächst erscheint die Zuordnung von Basen-Tripletts zu Aminosäuren (s. Tabelle im Kasten) recht wahllos und zufällig. Legt man die physikochemischen Eigenschaften der Aminosäuren zugrunde, zeigt sich aber, dass die synonymen Codons jeweils einer Aminosäure nach dem Prinzip “ähnliche Codons für ähnliche Aminosäuren” in Blöcken gruppiert sind. Codons, die sich in nur einer Base unterscheiden, codieren demnach für gleiche oder ähnliche Aminosäuren. Punktmutationen und Translationsfehler haben in einem Code, der nach dem Prinzip “ähnliche Codons für ähnliche Aminosäuren” aufgebaut ist, nur geringe Auswirkungen auf das Protein, insbesondere auf dessen räumliche Struktur. Weitere Überlegungen zeigen, dass “unser” genetischer Code neben seiner Fehlertoleranz auch für die molekulare Evolution besonders gut geeignet ist. Es lässt sich sogar argumentieren, dass dieser Code gut zur Doppelstrangcodierung in der DNA passt.7
Der genetische Code gilt universell für alle Lebewesen. Allerdings kennt man heute einige Abweichungen. Sie zeigen, dass eine Veränderung von Zuordnungen der Tripletts zu Aminosäuren prinzipiell möglich ist. Die erste Abwandlung vom kanonischen Code in Zellkernen wurde Mitte der 1980er Jahre entdeckt: Eine Erweiterung des Codes um die Aminosäure Selenocystein. Das UGA-Codon, das eigentlich ein Haltesignal ist und die Translation während der Proteinsynthese beendet, steht hier für die “21. Aminosäure”. Auch die im Jahr 2002 im Code entdeckte “22. Aminosäure” Pyrrolysin (ein modifiziertes Lysinmolekül) wird in bestimmten Archaebakterien durch ein das UAG-Codon codiert, das normalerweise für “Stopp” steht.


<h2>Ausblick synthetische Biologie</h2>
Dass der Code durchaus variabel ist, nutzen Wissenschaftler heute, um den genetischen Code künstlich zu erweitern, also über die 20 Standardaminosäuren hinaus noch weitere Aminosäuren zu codieren (Abbildung 3, S. 524). Dazu machen sie sich zunutze, dass Lebewesen zwar im Wesentlichen denselben genetischen Code verwenden, sich aber manchmal in den ihn übersetzenden Molekülen (insbesondere den t-RNAs) unterscheiden. Die Strategie, mit gentechnischen Methoden t-RNAs zwischen Organismen auszutauschen, wurde erstmals in den 1990er Jahren angewandt.8
Die Entschlüsselung des genetischen Codes in den 1960er Jahren steht mithin nicht nur im Zentrum der Molekularbiologie, sondern verbindet ebenso die Evolution des Lebens mit aktuellen Ansätzen der synthetischen Biologie.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Vor 50 Jahren — am 27. Mai 1961 — wurde das erste Wort des genetischen Codes entschlüsselt.
Das biochemische Experiment von Heinrich Matthaei und Marshall Nirenberg beendete zahllose Spekulationen um die genetische Codierung.
Durch die synthetische Biologie lässt sich der genetische Code heute gezielt erweitern.


<h2>— — — Die molekularen Akteure der genetischen Codierung</h2>
Die Moleküle der genetischen Codierung sind für alle Lebewesen gleich. Die genetische Information ist als Abfolge von Nukleotiden in Nukleinsäuren gespeichert. So ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA) aus A (Adenin), C (Cytosin), G (Guanin) und T (Thymin) aufgebaut, die Ribonukleinsäure (RNA) enthält statt Thymin die Base Uracil (U). Als Transkription bezeichnet man den Vorgang, dass von bestimmten Regionen der DNA die Basenabfolge auf die mRNA (Boten-RNA) übertragen wird. Hier spielt die Basenkomplementarität eine wichtige Rolle, weil die Basen A, C, G und T der DNA komplementär als U, G, C bzw. A auf die mRNA übertragen werden. Die mRNAs bringen die genetische Information vom Zellkern zum Ribosom, einer komplexen Struktur aus RNAs und Proteinen. Dort wird die Abfolge der Nukleotide der mRNA Triplett für Triplett abgelesen und in eine Folge von Aminosäuren übersetzt. 20 verschiedene Aminosäuren stehen als Proteinbausteine zur Verfügung. Bei dieser Translation liefern tRNAs (Transfer-RNAs) die jeweils passende Aminosäure. Sie haben ein zum jeweiligen Triplett komplementäres Anti-Codon und sind damit eine molekulare Materialisierung der Code-Tabelle.


— — — Marc-Denis Weitze arbeitet nach mehrjähriger Tätigkeit am Deutschen Museum seit dem Jahr 2007 als wissenschaftlicher Referent in der Geschäftsstelle der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech). <a href="mailto:weitze@gmx.net">weitze@gmx.net</a>



<ul>
<li>
1 


vgl. L. E. Kay, 
<source>Das Buch des Lebens, <publisher-name>Suhrkamp</publisher-name>, <publisher-loc>Frankfurt/M.</publisher-loc>, 2005.

</li>
<li>
2 


Matthaei zit. n. H. Judson. <source>Der 8. Tag der Schöpfung, <publisher-name>Meyster Verlag</publisher-name>, <publisher-loc>Wien/München</publisher-loc>, 1980, S.348.

</li>
<li>
3 


vgl. H. J. Rheinberger, 
<source>Experimentalsysteme und epistemische Dinge, <publisher-name>Wallstein-Verlag</publisher-name>, <publisher-loc>Göttingen</publisher-loc>, 2002.

</li>
<li>
4 


Heinrich Matthaei im Gespräch, in: 
<source>Deutsches Museum Bonn — Forschung und Technik in Deutschland nach 1945, Hrsg.: P. Frieß und P.M. Steiner), <publisher-name>Deutsches Kunstverlag</publisher-name>, <publisher-loc>München</publisher-loc>, 1995, S. 245.

</li>
<li>
5 

 
M. W. Nirenberg, 
J. H. Matthaei, 
<source>Proc. Natl. Acad. Sci. USA 
(1961), 
47, 
1601.
</li>
<li>
6 

Cold Spring Harbor Symposium, Vol. XXXI, 1966, S. 25—38.
</li>
<li>
7 

 
vgl. M.-D. Weitze, 
<source>Biol. unserer Zeit 
(2006), 
36, 
18–<lpage>25.</lpage>
</li>
<li>
8 


N. Budisa, 
M.-D. Weitze, 
<source>Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009, S. 42–<lpage>50</lpage>.

</li>
</ul>

Artikel

Spuren des Lebens: Organische Verbindungen im Stein

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