A Suggested Pioneer Organism for the Wächtershäuser Origin of Life Hypothesis

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1 A Suggested Pioneer Organism for the Wächtershäuser Origin of Life Hypothesis Frederick A. Kundell, Origins of Life and Evolution of Biospheres, , SE Exolife Veresa Eybl

2 Origin of Life Theorien Leben aus der Ursuppe Probleme: Konzentration der notwendigen Moleküle Zusammensetzung der Atmosphäre Proteine zur Informationsübertragung vs. DNA RNA-Welt Selbstreplikation Funktion als Enzym Aber: Wie entstand die RNA?

3 Die Eisen-Schwefel-Welt Günther Wächtershäuser Günter Wächtershäuser (1980er): Metabolismus als Vorläufer von Genetik Metabolismus = Stoffwechsel chemische Prozesse, die Energie erzeugen, welche von anderen Prozessen genutzt werden kann, um weitere Verbindungen herzustellen Schauplatz: nicht die Uratmosphäre, sondern Oberflächen von Eisen-SchwefelMineralien bei hydrothermalen Quellen anaerobe, heiße Umgebung unter hohem Druck

4 Theorie Frühe Erde vor 4.4 Gy hydrothermale Quellen (black smokers) 4 Stadien von Komplexität: Vulkanische Entgasungsprodukte als inorgan. Nährboden des Lebens: H2, N2, H2O, H2S, NH3, CH4, CO, CO2, HCN, P4O10 einfache organ. Moleküle Aminosäuren Verbindung zu Polymeren wie Proteine oder Nukleinsäuren Verbindungen von Polymeren

5 Hydrothermale Quellen

6 Black Smokers Hydrothermale Quellen an ozeanischen Rücken Tektonische Platten driften auseinander, Magma strömt nach oben Kaminförmige Schlote bilden sich (Smokers) Chuck Carter Meerwasser und mit magmatischen Mineralien angereichertes Wasser strömt in Black oder White Smokers nach oben

7 Wächtershäusers Pionier-Organismus Energie aus Reaktionen der vulkanischen Gase Katalytische Effekte durch Mineralien an der Oberfläche positiv geladen Anlagerung von negativ geladenen Biomolekülen Hohe Temperatur begünstigt chem. Reaktionen 3 Eigenschaften Wachstum Reproduktion (Autokatalyse) Evolution (verschiedene Varianten autokatalytischer Prozesse) Wächtershäuser, G. (2006) We recognize that we are faced in fact with two parallel, overlapping processes of evolution. With the pioneer organism, begins a primary and direct process of evolution. It is chemically determined and directionally fixed by the universal laws of carbon fixation on transition metal catalysts. Out of this primary, direct process of evolution arises later a secondary and indirect process of evolution by the genetic machinery. Accidental, nondirectional DNA mutations form the material base for this secondary process of evolution.

8 Wächtershäusers Rezept Kohlenstoffquelle: CO2 Redoxpotential (Elektronenquellen) FeS + H2S FeS2 + 2H++2e- (Bildung von Pyrit) CO + H2O CO2 + 2H+ + 2e- (Oxidation von CO) Bildung von C2-Molekülen (z.b. Essigsäure) wikipedia.de 2CH3SH + CO CH3 CO S CH3 + H2S Bildung von C3-Molekülen Bildung von alpha-aminosäuren Peptide und Aminosäuren Wächtershäuser, G. (2006)

9 Experimenteller Nachweis 1997: aus CO und CH3SH bzw. CO und H2S Bildung von Essigsäure chemoautotropher Beginn des Lebens 1998: Bedingungen wie auf der frühen Erde: 100 C ph 7-10 anaerob (Ni,Fe)S, CO Reaktion von Aminosäuren (Glycin, Phenylalanine, Tyrosin) mit H2S oder CH3SH Bildung von Peptiden Huber, C., and Wächtershäuser, G. (1997) Huber, C. and Wächtershäuser, G. (1998)

10 Kundells pioneer organism Berechnet mittels Computermodellen Vorläufer zur RNA-Welt Pyritkristall: Kante als katalytische Oberfläche und Vorlage für die Bildung von Replikation von ProtoNukleinsäuren Proto-Nukleinsäuren wirken selbst als Katalysatoren Methode: molecular orbit calculations Energie minimieren

11 Reaktionen Entstehung von Pyrit Pyrit bildet würfelförmige Kristalle mit nm Kantenlänge 2 Enantiomere T=298.1K P=1bar Hydrothermale Quellen 375K

12 Reaktionen Reaktion Schwefelwasserstoff mit Eisen(II)sulfid (a) Protonenaustausch (b) Disulfidbildung c Zugabe von Phosphorsäure H3PO4 (d) d c

13 Reaktionen e Zugabe von Fe und 5 CO Bildung von Eisenpentacarbonyl über der Phosphorsäure (e) Bildung einer Disulfidbrücke

14 Proto-Nukleinsäure Lineares, sich wiederholendes Molekül Besteht nur aus präbiotischen Stoffen Existiert als komplementäres Paar von Polymeren, die durch Wasserstoffbrückenbindung zusammenhalten Wenn getrennt, funktioniert es als Katalysator Basensequenz muss sich durch Evolution verändern können

15 Bildung der Protonukleinsäure Ausgangspunkt: Wasserstoffreiche Pyritkristalle mit PhosphorsäureEisenpentacarbonyl-Kanten in einer flüssigen Lösung mit gelöstem Cyanwasserstoff HCN und CO Protonukleinsäure besteht aus einer Ribose-Phosphat-Kette mit Uracil und Cytosin als Basen Erster Schritt der Polymerisation erfolgt zwischen einem Phosphor und einem Carbonyl auf dem Pyritkristall Wahrscheinlichkeit der Reaktion sehr gering: Bildung des ersten PNS Moleküls dauerte sehr lange und/oder Die Moleküle waren sehr kurz

16 Bildung der Protonukleinsäure Bei Kontakt mit PhosphatPyrit-Oberfläche Bildung von Ribose Wenn ein zweites Basenpaar die richtige Position einnimmt, bildet sich die zweite Ribose Sobald zwei Basenpaare gebunden sind, lagern sie die anderen ebenfalls am Pyrit an und bilden die Ribose Der Strang wächst in beide Seiten bis er komplett dupliziert ist

17 Bildung der Protonukleinsäure Zweck der Protonukleinsäure: Replikation Zur Replikation muss jeder Strang der PNS einen Gegenstrang mit entgegengesetzter Basenanordnung erzeugt haben Damit Evolution stattfinden kann, muss die Replikation schneller erfolgen als die ursprüngliche Bildung der PNS Uracil und Cytosin bilden jeweils ihr eigenes Basenpaar Sobald sich eine PNS gebildet hat, lagern sich komplementäre Basen an Doppelhelix löst sich vom Pyrit Wasserstoffbrückenbindung bricht auf Wieder Paarung mit freien Cytosil/Uracil Basen

18 Conclusion Der vorgeschlagene Mechanismus findet in einer Fe(II)-reichen Umgebung statt Meerwasser Kristalle müssen sehr klein sein, um viele Kanten für die Reaktion zu haben In Meerwasser bildet sich Pyrit mit sehr kleinen würfelförmigen Kristallen im nm Bereich Schwefelsäure ist wichtig für die Reaktion großes, ständiges Vorkommen, höchstwahrscheinlich durch hydrothermale Quellen (ebenso beim CO) wahrscheinlichster Ort für die Bildung des Pionier-Organismus: aktive Pyrit-Formation, genährt durch Meerwasser und hydrothermale Quellen ozeanischer Rücken

19 Quellen Wächtershäuser, G. (1992) Groundworks for an evolutionary biochemistry the iron sulfur world. Prog. Biophys. Mol. Biol. 58, Huber, C., and Wächtershäuser, G. (1997) Activated Acetic Acid by Carbon Fixation on (Fe,Ni)S Under Primordial Conditions, Science 276, 245 Huber, C. and Wächtershäuser, G. (1998) Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life. Science 281, Wächtershäuser, G. (2006) From volcanic origins of chemoautotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya, Phil. Trans. R. Soc. B, 361, Kundell, F.A. (2010) A suggested pioneer organism for the Wächtershäuser origin of life hypothesis, Orig. Life. Evol. Biosph. online