Die Frage nach den Ursprüngen des Lebens auf der Erde beschäftigt Wissenschaftler seit geraumer Zeit. Ein entscheidendes Element in diesem Kontext ist Adenosintriphosphat (ATP), das als universelle Energiequelle für alle lebenden Zellen fungiert. Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat nun in einer Veröffentlichung im FEBS Journal neue Erkenntnisse über die geochemischen Vorgänge gewonnen, die möglicherweise zur Entstehung von ATP und damit zur Entwicklung des Lebens beigetragen haben.
In der Natur sind ATP-Synthasen – spezielle Enzyme, die ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat bilden – essentiell für den Energiestoffwechsel. Diese Enzyme sind hochkomplex und evolutionär ausgereift. Doch in der Zeit, als das Leben seinen Anfang nahm, existierten diese Enzyme noch nicht. Professor William Martin, der Leiter des Instituts für Molekulare Evolution an der HHU, betont, dass die Frage nach der Energiequelle, die zur Bildung der ersten ATP-Synthasen führte, von großer Bedeutung ist. Das Team suchte nach präbiotischen Quellen für Phosphat und chemische Energie in den hydrothermalen Quellen, die bereits vor vier Milliarden Jahren existierten.
Die Forscher fanden heraus, dass Phosphit und Palladium, die in Wasserstoff produzierenden hydrothermalen Quellen vorkommen, eine entscheidende Rolle spielen könnten. Phosphit, eine seltene Form des Phosphors, kann durch metallische Katalysatoren aktiviert werden. In ihrer Studie beschreibt Doktorandin Manon Schlikker, dass einige Mikroben in der Lage sind, Phosphit in Phosphat umzuwandeln und dabei die Energie der Umgebung zu speichern. Dies geschieht durch die Umwandlung von Adenosinmonophosphat (AMP) in ADP, wodurch hochenergetische Phosphatbindungen entstehen.
Die Forscher untersuchten, wie solche chemischen Reaktionen auch ohne Enzyme ablaufen könnten. Sie testeten verschiedene Metalle, die in hydrothermalen Quellen vorkommen, insbesondere Nickel, Eisen und Kobalt, auf ihre Katalysatorfähigkeiten. Dabei entdeckten sie, dass elementares Palladium nicht nur Phosphit umwandeln kann, sondern auch die Umwandlung von AMP zu ADP katalysiert. Diese Erkenntnisse waren neu und unerwartet, da in der Fachliteratur bislang keine Hinweise auf eine anaerobe Phosphitoxidation mit Palladium zu finden waren.
Aber nicht nur reines Palladium zeigte Aktivität. Das Team stellte fest, dass auch eine Legierung von Palladium, Nickel und Eisen, die in hydrothermalen Quellen häufig vorkommt, in der Lage ist, die Phosphorylierungsreaktion zu katalysieren. PD Dr. Harun Tüysüz, ein Kooperationspartner am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, synthetisierte diese Legierung im Labor und bestätigte deren katalytische Eigenschaften.
Die Forscher erweiterten ihre Untersuchungen und erforschten, welche weiteren Reaktionen das Phosphit-Palladium-System durchführen könnte, die für die Entwicklung des frühen Lebens bedeutend waren. Besonders hervorzuheben ist die Umwandlung von Acetat zu Acetylphosphat, die als zentrale biochemische Energiequelle galt. Martin erklärt, dass sie einen neuartigen, geochemisch kontinuierlichen Weg der präbiotischen Phosphorylierung identifiziert haben, der in Wasser unter Verwendung von Phosphit und Palladium stattfinden kann.
Die Energie für diese Reaktionen stammt direkt aus dem Phosphit selbst, das eine hohe Energiedichte aufweist. Professor Martin hebt hervor, dass die Reaktion von Phosphit zu Phosphat mehr Energie freisetzt als die Bildung von ATP, jedoch einen effektiven Katalysator erfordert. Palladium hat sich in dieser Hinsicht als besonders wirksam erwiesen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Phosphit und elementarem Palladium eine potenzielle Quelle für die chemischen Reaktionen darstellt, die möglicherweise am Ursprung des Lebens standen. Diese neu entdeckte geochemische Energiequelle könnte eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung der biologischen Prozesse gespielt haben, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde führten. Die weitere Erforschung dieser Mechanismen könnte helfen, die komplexen Fragen rund um die Ursprünge des Lebens besser zu verstehen.
