Die RNA-Welt und der Ursprung des Lebens. 13. Dezember, Michael Famulok, LIMES Institute

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1 Die RA-Welt und der Ursprung des Lebens 13. Dezember, 2012 Michael Famulok, LIMES Institute

2 Zeitliche Abfolge der kosmischen, molekularen und biologischen Evolution Kosmische Evolution Chemische und molekulare Evolution Biologische Evolution 7 Entstehung des Sonnensystems Entstehung der frühen Erde Stabilisierung der Erdkruste Präbiotische Chemie Abnahme der Kometeneinschläge RA Welt älteste fossile Funde Diversifizierung Diversification des of Lebens life

3 Chemische (Darwin sche) Definition des Lebens 1. Leben ist ein selbsterhaltendes Chemisches System, das sich durch Darwin sche Evolution anpassen und verändern kann Replication, Mutation, atural Selection! 2. Selbsterhaltend: enthält alle Informationen die für eigenen Metabolismus und Vermehrung (Replikation) nötig ist 3. Der Ursprung des Lebens ist identisch mit dem Beginn der Darwin schen Evolution

4 Leben begann mit dem ersten Molekül, das zur Selbstreplikation und Mutation fähig war und somit evolvieren konnte ans Kuhn

5 1. Grundvoraussetzung für Selbstreplikation: Autokatalyse Chemische Reaktion, bei der ein Reaktionsprodukt seine eigene Bildung beschleunigt (katalysiert) + + Essigsäureethylester 2 Essigsäure Alkohol Essigsäure Zeit

6 2. Grundvoraussetzung für Selbstreplikation: Informationsübertragung Selbstreplikation = Autokatalyse + Informationsübertragung Chemische Information kann gespeichert sein in: Konstitution: Alle kovalenten Bindungen zwischen Atomen oder Gruppen (z.b. in DA- oder Protein-Sequenzen) Konfiguration: 3D-Anordnung von Bindungen in stereogenen Einheiten g Enantiomere, Diastereomere Konformation: 3D-Anordnung von Bindungen in Einheiten, die interne Rotation erlauben 60 rot.

7 2. Grundvoraussetzung für Selbstreplikation: Informationsübertragung Selbstreplikation = Autokatalyse + Informationsübertragung Chemische Informationsübertragung benötigt......die Ausbildung chemischer Bindungen anstatt Bindungsbruch...Veränderung des Systems von einfach g komplex z. B. von klein nach groß (nie umgekehrt)...molekulare Template (oder Schablonen )

8 Entwurf eines minimalen selbstreplizierenden Systemseines

9 A B ABC C 2 C C K 1 K 2

10 A B ABC C 2 C C K 1 K 2

11 A B ABC C 2 C C K 1 K 2 von Kiedrowski, 2005

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13 Leben begann mit dem ersten Molekül, das zur Selbstreplikation und Mutation fähig war und somit evolvieren konnte + A B C Problem: diese minimalen selbstreplizierenden Systeme g können weder mutieren noch evolvieren g haben sehr begrenzten Metabolismus (wenn A und B verbraucht sind, kann sich kein C mehr bilden; das System kommt zum Stillstand

14 Die ersten zur Selbstreplikation fähigen Moleküle, die sich an veränderte Bedingungen anpassen konnten (durch Mutation und Selektion) waren wahrscheinlich Polymere

15 Die vielversprechendsten Polymere: ukleinsäuren R A U R C G U G A C - G U - A A - U C G U G A C - G U - A A - U R R G C äufig auftretende Sekundärstruktur-Elemente In ukleinsäuren (DA oder RA)

16 Die vielversprechendsten Polymere: ukleinsäuren Von der Sekundär- zur Tertiärstruktur: gefaltete Ribonukleinsäure (RA)

17 Eine katalytisch aktive RA" Sekundär- und Tertiärstruktur eines Klasse I Introns" Tom Cech " obelpreis Chemie 1989" für die Entdeckung der katalytischen Eigenschaften von RA "

18 Die ersten zur Selbstreplikation fähigen Moleküle, die sich an veränderte Bedingungen anpassen konnten (durch Mutation und Selektion) waren wahrscheinlich Polymere Die vielversprechendsten Polymere: ukleinsäuren Ribonukleinsäuren (RAs) g RA-Welt ypothese Walter Gilbert, Chemie 1980

19 RA-Welt ypothese Mögliche (stark vereinfachte) Szenarien: Präbiotik: RA speichert genetische Information RA lernte Selbstreplikation eue RAs entstanden, die metabolische Prozesse katalysierten RA katalysiert Peptid/Protein Synthese Proteine übernahmen viele metabolische Prozesse weil sie effizientere Enzyme sind RA oder Protein katalysierte DA Synthese DA wurde zum hauptsächlichen genetischen Speichermaterial (aufgrund der höheren Stabilität von dsda und weil beide Stränge als Templat dienen können

20 Argumente pro RA-Welt ypothese: 1. RA Moleküle können katalytisch aktiv sein g sie können genetische Information speichern und chemische Reaktionen beschleunigen g Selbstreplikation: Katalyse der eigenen Synthese? Liefert mögliche Lösung des Problems: Was kam zuerst? oder Gene oder Proteine genetische Gene brauchen Proteine zur Vermehrung Bauanleitung für Proteine stecktmolekulare in Genen Information Funktion

21 Argumente pro RA-Welt ypothese: 2. molekulare Fossilien einer möglichen RA Welt existieren noch heute a. Das Ribosom katalysiert die Bildung von Peptid Bindungen zum Aufbau von Proteinen Ada Yonath Thomas Steitz obelpreis Chemie 2009 Venkatraman Ramakrihnan für Studien zur Struktur und Funktion des Ribosoms

22 Argumente pro RA-Welt ypothese: 2. molekulare Fossilien einer möglichen RA Welt existieren noch heute a. Das Ribosom katalysiert die Bildung von Peptid Bindungen mit ilfe seiner RA Komponenten (das Ribosome ist ein Ribozym) Keine Proteine im katalytischen Zentrum!

23 Argumente pro RA-Welt ypothese: 2. molekulare Fossilien einer möglichen RA Welt existieren noch heute a. Das Ribosom katalysiert die Bildung von Peptid Bindungen mit ilfe seiner RA Komponenten (das Ribosome ist ein Ribozym) b. Einige biologische Kofaktoren enthalten immer noch RA Bausteine (Benner et al.: Moderner Metabolismus als Überbleibsel der RA Welt. Proc. atl. Acad. Sci. USA, 1989) 2 P - P - ATP S P C C 3 Koenzym A P - - P P - P - + AD C 3 C C 2 C 2 P - FAD 2

24 Argumente pro RA-Welt ypothese: 3. Selektion komplexer Ribozyme ist möglich die Möglichkeit, katalytisch aktive RAs im Labor zu erzeugen und zu evolvieren erhöht die Plausibilität der RA-Welt ypothese g multiple metabolische Reaktionen möglich g Erlaubt die Erzeugung der für die Selbstreplikation benötigten Komponenten aus einfachen Bausteinen

25 Durch Enzyme regulierte Stoffwechselreaktionen (ca. 500) Jeder Punkt ist eine chemische Substanz Alle Reaktionen werden von Proteinen katalysiert und reguliert

26 eue Ribozyme durch in Vitro Selektion Gebildete Bindung" Chemische Reaktion" Literaturverweis" C-" C-" -Acylierung" Bildung von Amidgruppen" Peptidyltransfer" ukleotid-phosphoribosyl Transfer" Amino-Acylierung" Wilson & Szostak, 1995" Lohse et al., 1996" Zhang & Cech, 1997" Unrau & Bartel, 1998" Illangesekare et al., 1995" Amino-Acylierung von transfer-ra" Murakami et al., 2003" Trans-Esterifizierung Lohse et al. & Szostak, 96 Jenne & Famulok, 1998 C-S" S-Alkylierung (S 2)" Wecker et al., 1996" Michael Addition" Sengle et al., 2001" C-C" Diels-Alder Reaktion" Tarasow et al., 1997" Seelig & Jäschke, 1999" Aldol-Kondensation" Fusz et al., 2005" Andere" Aldehyd Reduktion" Tsukiji et al., 2004" Alkohol xidierung/ AD + Bildung" Tsukiji et al., 2003"

27 Wie kann man Ribozyme in vitro selektieren? Jack W. Szostak" obelpreis in Physiology und Medicine 2009 " (mit Elizabeth Blackburn & C. Greider)" " für die Entdeckung, wie Chromosomes durch Telomere und das Enzym Telomerase geschützt werden""

28 Selektion und Evolution von Ribozymen Population von Zufallssequenzen" 5-5 -Primer Zufallssequenzen -3 Mutation! 3 -Primer Angereicherte" Population"

29 Sequenzraum eines 100-mers Sämtliche Permutationen einer 100 ukleotide langen randomisierten Sequenz:" " = unterschiedliche Moleküle (10 38 kg DA)"

30 In vitro Selektion von Ribozymen für Aldol-Kondensationen g RA-vermittelter Metabolismus (Ribose-Synthese) Aldolkondensation von Glycerin-Aldehyd und Glycol-Aldehyd g Ribose + Base + Aldolkondensation eines Aldehyds mit einem Keton Aldolkondensation

31 In vitro Selektion von Ribozymen für Aldol-Kondensationen Aldolkondensation Transkription (DA g RA) Katalyse Amplifikation Trennung reverse Transkription (RA g DA) Selektion

32 Aldolase Ribozym 4300-fache Reaktionsbeschleunigung

33 In vitro selektierte RA-Polymerase Ribozyme A B C A, Sekundärstruktur der Klasse I Ligase - katalysiert die Anbringung eines ligonukleotids an sein eigenes 5 -Ende Bartel & Szostak 1993 B, Mutante der Klasse I Ligase - katalysiert die sequenzspezifische RA-Polymerisation von 3 ukleotide (ppp). Ekland & Bartel 1996 C, Weiter evolvierte Version dieser Mutante katalysierte die Polymerisation von bis zu 14 ukleotid-triphosphaten (ppp) an ein externes RA Templat Johnston et al g Ein erster Schritt zur Selbstreplikation eines Ribozyms!

34 Ribozym Replikation

35 ypothetisches Szenario für RA-katalysierte Synthese von RA a: Aldolkondensation, Synthese von Ribose b: Pyrimidin Synthese aus Carbamoyl-Phosphat und Aspartat c: Purin Synthese, Pentamerisierung von -C d: Addition einer Base an Ribose (ucleosid Synthese) i: Regenerierung von TPs durch Phosphoryl-Transfer : ucleotid Synthese durch Phosphorylierung h: Primer Verlängerung, Templat- gesteuerte ucleotid-addition : ukleotid-aktivierung g: Addition eines ukleotids an 3 -Ende einer RA Sequenz

36 RA-Polymerase Ribozyme mögliche Systeme zur Selbstreplikation Vesikel Wachstum durch Micellen

37 Vesikel Wachstum durch Micellen

38 RA-Polymerase Ribozyme mögliche Systeme zur Selbstreplikation Einlass kleiner Moleküle in Vesikel

39 Einlass kleiner Moleküle in Vesikel

40 RA-Polymerase Ribozyme mögliche Systeme zur Selbstreplikation Teilung einer Protozelle

41 Teilung einer Protozelle

42 Leben begann mit dem ersten Molekül, das zur Selbstreplikation und Mutation fähig war und somit evolvieren konnte ans Kuhn Leben begann mit der ersten Anordnung von Molekülen, die als Ganzes zur Selbstreplikation und Mutation fähig war und somit evolvieren konnte