Suche

zur Hauptseite

Navigation und Service


Virtuelle Ursuppe

So könnten erste Eiweißmoleküle entstanden sein

Wie vor über vier Milliarden Jahren, lange bevor es Lebewesen auf der Erde gab, erstmalig einfachste Eiweißmoleküle entstanden sein könnten, erforscht der Bochumer Professor Dominik Marx mit Hilfe Jülicher Supercomputer. Hoher Druck, hohe Temperaturen und schwefelhaltige Mineralien haben möglicherweise an der Entstehung des Lebens mitgewirkt.

Charles Darwins "kleiner warmer Teich"

Charles Darwin, der Pionier der Evolutionstheorie, vermutete einst, die ersten Eiweißmoleküle könnten "in einem warmen kleinen Teich" entstanden sein, mit allen möglichen Ammonium- und Phosphor-Salzen, mit Licht, Hitze und Elektrizität. Er wusste allerdings nicht zu sagen, wie der Schritt von der unbelebten zur belebten Materie sich vollzogen haben könnte.
Aminosäuren aus dem Glaskolben

Die ersten Hinweise lieferte 1953 der US-Amerikaner Stanley Lloyd Miller: Als er die Bedingungen einer möglichen Uratmosphäre im Glaskolben nachstellte, bildeten sich darin einfache organische Moleküle, die Aminosäuren. Aber wie sich diese Bausteine zu Eiweißen zusammenfügen konnten, und welche Rolle eisen- und schwefelhaltige Mineralien dabei möglicherweise spielten, blieb weiter Spekulation.

Simulationen zeigen: Aminosäuren werden zu Eiweißketten

Doch ein Forscherteam um Dominik Marx, den Leiter des Lehrstuhls für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, konnte jetzt erstmals am Jülicher Supercomputer zeigen: Unter Bedingungen, wie sie auch heute noch in der Tiefsee an vulkanischen "heißen Schloten" herrschen, wäre es tatsächlich möglich, dass sich Aminosäuren zu Eiweißketten zusammenschließen – ganz ohne die biologischen Werkzeuge, die normalerweise nötig sind, wenn Zellen Eiweiße produzieren.

Der "warme kleine Teich" entstand virtuell im Jülicher Supercomputer JUBL. Nur im Rechner trafen darin zwei simulierte Aminosäuren – einfache Glyzinmoleküle – aufeinander. "Wir gehen bei unseren Berechnungen von den grundlegenden chemischen Bausteinen aus, also von den Elektronen und Atomkernen der beteiligten Moleküle", erläutert Marx.
Virtuelle "Versuchsanordnung": hoher Druck und hohe Temperatur

Für diese Simulationen wurden keinerlei Messwerte aus Experimenten zu Hilfe genommen, sondern die Forscher fütterten den Rechner nur mit Informationen über die Eigenschaften der beteiligten Molekül-Bausteine. Er berechnete dann das Verhalten der in Wasser gelösten Moleküle unter verschiedenen Bedingungen.

Es zeigte sich: Je höher der simulierte Druck und je heißer das virtuelle Wasser, desto leichter bildet sich zwischen zwei Aminosäuren eine Peptidbindung – der fundamentale Vorgang bei der Eiweißsynthese. Bis zu 20 Megapascal waren die Moleküle dabei ausgesetzt – das ist etwa das 200-fache des Luftdruckes auf Meereshöhe. Die Temperatur wurde auf mehr als 200 Grad Celsius gesteigert. "Solche Versuche kontrolliert im Labor durchzuführen, wäre außerordentlich schwierig", betont Marx.

Pyrit als Katalysator

Unter derart extremen Bedingungen hat Wasser ganz andere Eigenschaften als im normalen Zustand, und die darin gelösten Aminosäuren reagieren leichter miteinander. Wenn in der virtuellen Ursuppe außerdem das eisen- und schwefelhaltige Pyrit hinzu kam, taten sich die Eiweißbausteine noch schneller zusammen – das Mineral wirkt als Katalysator, der die Reaktion beschleunigt. "Wie das genau funktioniert, wissen wir noch nicht. Pyrit ist ein Modell für viele Eisen-Schwefel-Verbindungen, die hier eine Rolle spielen könnten", schränkt Marx ein. "Wir wissen auch nicht, ob die ersten Eiweißmoleküle tatsächlich so entstanden sind, wie in unseren Simulationen. Aber mit dem Supercomputer konnten wir zeigen, dass dieser Weg möglich ist."

Der Rechenaufwand dieser Simulation war enorm: Zusammen genommen arbeiteten mehr als 2.000 Prozessoren des JUBL vier Monate lang daran.

Beispielhaftes Projekt

Der Gutachterrat des John von Neumann-Instituts für Computing (NIC) – der Einrichtung, die die Rechenzeit auf den Supercomputern der Helmholtz-Gemeinschaft vergibt – zeichnete das Simulationsvorhaben als "Exzellenz-Projekt 2008" aus, und erste Ergebnisse wurden im renommierten "Journal of the American Chemical Society" veröffentlicht.

aus: Forschen in Jülich: Supercomputer und Simulation


Servicemenü

Homepage