Eine zentrale Eigenschaft, die Organismen von unbelebter Materie unterscheidet, ist die Fortpflanzungsfähigkeit (autonome Selbstreproduktion). Um die Entstehung des Phänomens Leben im Rahmen des Naturalismus plausibel zu erklären, besteht daher die Notwendigkeit, molekulare Systeme zu finden, die zur Selbstreproduktion (Replikation) fähig sind und durch natürliche Ursachen entstehen können. Besondere Beliebtheit erlangte hierbei die RNA-Welt-Hypothese (Gilbert 1986). Sie ist jedoch aufgrund von vielen widersprüchlichen Befunden sehr umstritten.

(1) Abgesehen vom fehlenden Nachweis einer möglichen Entstehung der Einzelbausteine (Nukleotide) ist die Replikation der RNA in Abwesenheit von Enzymen (außerhalb lebender Zellen) selbst unter aufwendig im Labor optimierten Bedingungen sehr ineffizient und in den meisten Fällen chemisch nicht oder wenig selektiv (Schmidtgall 2013; Abb. 1). Das heißt, dass bei der Reaktion eines an der 5‘-Position aktivierten Ribonukleotids mit einem weiteren Ribonukleotid ohne Beteiligung eines Enzyms prinzipiell mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder eine 2‘,5‘- oder eine 3‘,5‘-Bindung entstehen kann. Eine experimentelle Untersuchung dieser Reaktion unter Bedingungen, die als präbiotisch ausgewiesen wurden, ergab ein Gemisch mit einem Verhältnis von ca. 2:1 an 3‘,5‘- und 2‘,5‘-Verknüpfungen (Verlander et al. 1973).

Abb. 1: Strukturen der präbiotischen (unselektiven) RNA (enthält 2‘,5‘- und 3‘,5‘-Verknüpfungen) und der biologischen (selektiven) RNA (enthält nur 3‘,5‘-Verknüpfungen).

(2) Des Weiteren ist für eine fortlaufende Replikation eine periodisch wiederkehrende Trennung der Doppelstrang-RNA (auch als Schmelzen bezeichnet) durch erhöhte Temperatur analog zum PCR-Verfahren* notwendig (s. Abb. 2). In diesem Zusammenhang wurden thermische Konvektionsströme* mit wiederholter Strangtrennung und Anlagerung von Einzelbausteinen als mögliche Lösung vorgeschlagen (Engelhart et al. 2013). Doch stellt sich die Frage, wie sich auf diese Weise längere RNA-Doppelstränge mit über 15 Basenpaaren (bp) bilden könnten, da deren Schmelzpunkt (im Fall von G-C-reichen* Strängen) nahe dem Siedepunkt von Wasser liegt. Solche Temperaturen werden zwar in der Nähe hydrothermaler Quellen erreicht, die von anderen Autoren als mögliche Modellumgebungen für erste metabolische Zyklen angesehen werden. Aber diese Autoren gehen nicht von einer RNA-Welt am Anfang aus; jedenfalls würden die Phosphatdiester-Bindungen von RNA-Molekülen unter diesen Bedingungen nicht entstehen (s. u. (3)). Die Bildung und Reproduktion längerer (> 30 bp) RNA-Stränge ist notwendig, da die kürzesten funktionalen* RNA-Stränge bekanntermaßen eine Länge von ca. 40 bp aufweisen.

Abb. 2: Strukturen der präbiotischen (unselektiven) RNA (enthält 2‘,5‘- und 3‘,5‘-Verknüpfungen) und der biologischen (selektiven) RNA (enthält nur 3‘,5‘-Verknüpfungen).

(3) Darüber hinaus ist die RNA in wässriger Lösung sehr instabil, insbesondere bei Vorhandensein von divalenten* Kationen wie Mg²⁺, Ca²⁺ oder Zn²⁺ (Lindahl 1993; Lindahl 1967).

Es fehlt daher auch nicht an konkurrierenden Hypothesen wie der Protein-Welt* oder der Eisen-Schwefel-Welt*. Ferner sind auch Versuche unternommen worden, die Entstehung der RNA durch das Postulieren von stabileren Vorläufer-Polymeren mit ähnlichen Eigenschaften, wie der PNA (peptide nucleic acid), plausibel erscheinen zu lassen (Miller 2000). Allerdings weisen auch diese Erklärungsversuche gravierende Mängel auf (Benner 2002).

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel der Nature Chemistry diskutieren Hernandéz & Piccirilli (2013) potentielle Lösungsvorschläge der angeführten Probleme (1) und (2) der RNA-Welt-Hypothese. Dabei beziehen sich die Autoren auf zwei zuvor in der gleichen Zeitschrift veröffentlichte Artikel (Engelhart et al. 2013; Bowler et al. 2013).

Für die Entstehung von Replikationszyklen sind funktionale RNA-Sequenzen notwendig, insbesondere katalytisch aktive. Bei einer Entstehung von Ribonukleinsäuren in Abwesenheit von Enzymen sind, wie bereits erwähnt, 2‘,5‘-Verknüpfungen nicht zu vermeiden. Diese führen jedoch in Abhängigkeit von ihrer Anzahl und Position dazu, dass RNA-Moleküle entstehen, die nicht über die erforderlichen (bio)chemischen Eigenschaften von RNA-Molekülen von existierenden Organismen verfügen. Daher können solche RNA-Moleküle nicht die Funktionen von RNA-Molekülen in Organismen übernehmen. Typischerweise verursachen 2‘,5‘-Verknüpfungen eine Verringerung der Duplexstabilität* der RNA (der Schmelzpunkt sinkt). Diese geringere Stabilität von unselektiv verknüpften RNA-Strängen kann die enzymfreie Replikation bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen. Auf diese Weise könnte nämlich die thermische Entwindung der RNA bei niedrigeren Temperaturen stattfinden und so replikative Zyklen auch von längeren funktionalen RNA-Molekülen ermöglichen.

Abb. 3: Mechanistische Deutung der bevorzugten Bildung von 3‘,5‘-Verknüpfungen unter Einwirkung von Thioacetat und Elektrophilen.

Von dieser Vermutung ausgehend untersuchte die Gruppe um Engelhart die Auswirkung von 2‘,5‘-Bindungen auf die Funktionalität der zwei „einfachsten“ bekannten funktionalen RNA-Moleküle: dem Hammerhead-Ribozym (45 bp) und dem FMN*-Aptamer (39 bp). Das Hammerhead-Ribozym katalysiert sequenzspezifische Spaltungen von RNA-Molekülen, während das FMN-Aptamer eine hohe Bindungsaffinität zu dem Cofaktor FMN aufweist. Die RNA-Duplices wurden auf chemischem Wege so hergestellt, dass sie innerhalb ihrer Sequenz eine variierende Anzahl statistisch verteilter 2‘,5‘-Bindungen enthielten. Die Untersuchung ergab eine Korrelation zwischen dem Funktionsverlust der RNA-Moleküle und dem prozentualen Anteil an 2‘,5‘-Bindungen. Ein deutlicher Funktionsverlust wurde bei einem Anteil von 50% an 2‘,5‘-Bindungen bei beiden RNA-Molekülen nachgewiesen (Effizienz des Hammerhead-Ribozyms sinkt um den Faktor 2), während ein Anteil von 10% an 2‘,5‘Bindungen zu einer Verringerung der Effizienz des Hammerhead-Ribozyms um 20% und einer 10fach kleineren Bindungsaffinität des FMN-Aptamers zu Flavinmononukleotiden führte. Ausgehend von diesen Befunden wurde die Hypothese aufgestellt, dass 2‘,5‘-Verknüpfungen kurz nach der angenommenen erstmaligen Entstehung der präbiotischen RNA für deren Replikation aufgrund der geringeren thermischen Stabilität vorteilhaft waren, ohne die Entstehung funktionaler RNA-Moleküle zu verhindern. Die entstandenen funktionalen RNA-Moleküle würden dann auch eine Replikation ohne thermische Konvektion, d. h. in isothermen Gebieten ermöglichen. Dort würde dann ein allmählicher Übergang zu reinen 3‘,5‘-verknüpften RNA-Molekülen stattfinden, die dank höherer Effizienz der Replikation unter isothermen Bedingungen den entscheidenden Selektionsvorteil besitzen.

Ein anderer Erklärungsansatz für den Übergang der gemischten RNA-Welt (sowohl 2‘,5‘- als auch 3‘,5‘-Verknüpfungen) in eine reine (nur 3‘,5‘-Verknüpfungen) wurde von der Gruppe um Bowler angeführt. Grundlegend für deren Argumentation sind unterschiedliche Reaktivitäten der Hydroxylgruppen an 2‘- und an 3‘-Position eines Nukleotids (am Ende einer Nukleotidsequenz) gegenüber Acetylgruppenüberträgern sowie die Folgereaktionen der gebildeten Acetylnukleotide (Abb. 3). Während 3‘-terminales Adenosin-3‘-Phosphat (1) schnell und selektiv mit aktivierten Acetylgruppenüberträgern (2) am Phosphatrest über (3) zu 2‘-Acetyl-A3‘-P (4) reagiert, erweist sich A2‘-P (5) in der Reaktion zu 3‘-Acetyl-A-2‘P als ausgesprochen reaktionsträge, sodass die Acetylierung der Phosphateinheit an 2‘-Position unter Bildung von (6) vermehrt erfolgt. Nachfolgend kommt es im Fall von A2‘-Acetyl-P (6) schnell zur Bildung von 2‘,3‘-cAMP (7), das nur langsam unter Ringöffnung eine 2‘,5‘-Verknüpfung zu einem weiteren Nukleotid (Nucl-OH) ausbilden kann. Anders verhält es sich dagegen mit 2‘-Acetyl-A3‘-P (4), welches nach einer Aktivierung der 3‘-Phosphateinheit durch deren Acetylierung sehr schnell unter Ausbildung einer 3‘,5‘-Verknüpfung mit einem weiteren Nukleotid reagiert. Nach diesem Prinzip wurden auch Ligationen* zweier RNA-Fragmente an einem Templat* durchgeführt und dabei die bevorzugte Bildung von 3‘,5‘-Verknüpfungen nachgewiesen. Die angeführten Reaktionen wurden bei konstantem pH-Wert und ausschließlich unter Beteiligung von drei Komponenten in Wasser durchgeführt: 1. Kurze Oligomere mit 3‘-terminalem Adenosin-3‘-Phosphat (oder 2‘-Phosphat), 2. Thioacetat, das durch 3. ein Elektrophil (z. B. Cyanoimidazol) aktiviert wurde. Nach der postulierten, jedoch nicht experimentell gezeigten templatfreien Oligomerisierung* von Nukleotiden durch diese Form der Aktivierung soll die Entfernung der Acetyl-Schutzgruppen durch alkalische Hydrolyse* (pH = 9.2, 40 °C) erfolgt sein. Im Gegensatz zur oben angeführten Hypothese von Engelhart, die in thermodynamischen* Faktoren (Lage des Gleichgewichts, langer Zeitraum) die Ursache für den Übergang der Mischung aus 2‘,5‘- und 3‘,5‘-RNA in eine reine 3’,5‘-RNA-Welt ansiedelt, beruht die Argumentation von Bowler also auf der Betrachtung kinetischer* Faktoren (Reaktionsgeschwindigkeit, kleiner Zeitraum).

Die Ausführungen von Engelhart et al. und Bowler et al. wurden in der Veröffentlichung von Hernandéz & Piccirilli zu einem Gesamtkonzept zusammengefügt. Demnach soll die RNA-Welt zunächst in ihrer unselektiven Form entstanden sein, d. h. unter Ausbildung von 2‘,5‘- und 3‘,5‘-Verknüpfungen. Danach soll sich der Übergang der gemischten RNA-Welt zu Sequenzen, die nur 3‘,5‘-Bindungen enthalten, durch die Einwirkung von Thioacetat in Kombination mit verschiedenen Elektrophilen ereignet haben.

Obwohl die angeführte Hypothese in einer renommierten Zeitschrift für chemische Forschung veröffentlicht wurde, ist die experimentelle Basis, auf welche die Autoren ihre Argumentation stützen, sehr wenig aussagekräftig, sodass der Inhalt im Wesentlichen spekulativen Charakters ist. Darüber hinaus werden kritische Aspekte bei der Reflexion der aufgestellten Hypothesen nicht angemessen in Betracht gezogen.

Es handelt sich bei den untersuchten Parametern um konstante Eigenschaften bestehender Systeme, nicht jedoch um tatsächliche Transformationen oder Entstehungsprozesse.

Der experimentell ermittelte, in Abhängigkeit vom prozentualen Anteil an 2‘,5‘-Verknüpfungen abgestufte Funktionsverlust von Ribozymen oder Aptameren sagt nichts über die Prozesse aus, die eine Veränderung der chemischen Beschaffenheit eines selbstreplizierenden Systems hervorgerufen haben könnten oder darüber, wie es entstanden sein könnte. Gleiches gilt für die Messung von Denaturierungstemperaturen* von RNA-Doppelhelices, die einen Anteil an 2‘,5‘-Verknüpfungen enthalten. Es handelt sich dabei um konstante Eigenschaften bestehender Systeme, nicht jedoch um tatsächliche Transformationen oder Entstehungsprozesse. Es wäre hingegen interessant zu sehen, ob in einem wässrigen Konvektionsstrom, der aktivierte Nukleotide und Templat-RNA* enthält, nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen wirklich RNA-Moleküle des Typs und der Komplexität nachgewiesen werden können, wie sie schon in den einfachsten Zellen und Viren vorkommen. Ein entsprechender Versuchsaufbau sollte durchaus realisierbar sein.

Ein weiteres prinzipielles Problem ist das Fehlen der Helicase-Aktivität* bei den von Engelhart betrachteten funktionellen RNA-Molekülen. Enzyme mit Helicase-Aktivität sind jedoch an nahezu allen physiologischen Prozessen beteiligt, in denen die Strangtrennung von Nukleinsäuren erforderlich ist (also beim Ablesen der RNA oder bei der Zellteilung). Dagegen kann das Hammerhead-Ribozym nur die Ligation* oder Spaltung von anderen RNA-Molekülen vermitteln, aber keine Entwindung von Doppelsträngen. Es reicht jedoch nicht, wenn RNA-Moleküle mit irgendeiner katalytischen Aktivität oder bindenden Eigenschaft vorliegen, damit ein selbstreplizierendes System entsteht. Unberücksichtigt bleibt auch, dass unter Bedingungen der thermischen Konvektion selbst bei niedrigeren Temperaturen als 90 °C Zersetzung der RNA auftritt, obwohl die hohe Labilität dieser Moleküle hinlänglich bekannt ist (Lindahl 1967). Die Stabilität von RNA-Molekülen in thermophilen Bakterien, die selbst bei Temperaturen von 121 °C wachsen können, wird hingegen von komplexen, bisher unverstandenen molekularen Systemen gewährleistet (Cowan 2004). Diese Systeme können aber aufgrund ihrer hohen Organisation nicht mit der präbiotischen RNA-Welt verglichen werden.

Auch der Versuch, den Übergang vom unselektiven System zum selektiven durch bevorzugte Reaktionen isolierter Moleküle zu beschreiben, ist unrealistisch. Zum einen können die Bedingungen, unter denen die Experimente von Bowler durchgeführt wurden, nicht als präbiotisch bezeichnet werden, da Substanzen hoher Reinheit und hoher Konzentration für isolierte Synthesestufen verwendet wurden. Zum anderen ist fraglich, ob kinetische Faktoren überhaupt für evolutive Vorgänge relevant sein können, wenn äußerst lange Zeiträume für die diskutierten Prozesse angenommen werden. Bei sehr langen Reaktionszeiten sind die Bedingungen thermodynamisch dominiert (thermodynamische Reaktionsführung). Die von Bowler et al. untersuchten Reaktionen würden unter thermodynamischer Reaktionsführung wahrscheinlich ein anderes Ergebnis liefern als das oben beschriebene. Mit sehr viel längeren Reaktionszeiten wäre die Selektivität der Acetylierung schon in wesentlich geringerem Ausmaß gegeben. Dann wäre diese Reaktion aber für Modelle zur Entwicklung der präbiotischen RNA-Welt unpassend.

Problematisch ist zudem der Umstand, dass die Acetyl-Schutzgruppen nach der Synthese der Nukleinsäuren entfernt werden müssen. Der dafür vorgeschlagene Vorgang (alkalische Hydrolyse, s. o.) ist keinesfalls mit den Bedingungen der Acetylierung vereinbar. Das gesamte Reaktionsmilieu muss nach abgeschlossener Synthese stark geändert werden, um die Abspaltung der Schutzgruppen zu ermöglichen. Zudem sind Ribonukleinsäuren unter alkalischen Bedingungen nur wenig stabil; es kommt vermehrt zu Strangbrüchen. Daher darf die Einwirkung des alkalischen Mediums nur für kurze Zeit, d. h. bis die Acetylgruppen abgespalten sind, stattfinden und muss anschließend rasch entfernt werden. Solche Prozesse sind von der automatisierten Oligonukleotid-Synthese* – einem elaborierten Verfahren – bekannt. Aber in einem präbiotischen Szenario kann das nicht vorausgesetzt werden. Wie Shapiro (2007) in einem viel beachteten Artikel in Scientific American pointiert schrieb: „Das zentrale Problem lässt sich anhand einer Analogie erläutern: Nachdem ein Golfer einen 18-Loch-Kurs erfolgreich absolviert hat, behauptet er, der Ball hätte das auch ohne ihn schaffen können – unter der Einwirkung natürlicher Kräfte – wenn man ihm nur genügend Zeit gelassen hätte. Ähnlich wie in diesem Vergleich widerspräche die spontane Entstehung von RNA keinem Naturgesetz; nur wäre sie extrem unwahrscheinlich gewesen.“

Ferner hätte die Beobachtung der unterschiedlichen Reaktivitäten der vier kanonischen Nukleotide in der Acetylierung (Adenosin > Guanosin > Cytidin > Uridin) sicherlich mehr Beachtung verdient. Es ist durchaus denkbar, dass diese Differenzen zu unterschiedlichen Raten des Einbaus der vier Nukleotide in RNA-Polymere führen würden und folglich zu einer Anreicherung von purinreichen RNA-Sequenzen – ein Problem, das bereits in früheren Arbeiten erwähnt wurde (Inoue & Orgel 1983). Auf diese Weise wären aber keine genetischen Moleküle mit einem einigermaßen ausgewogenen Verhältnis der vier kanonischen Nukleotide entstanden, wie sie in der RNA lebender Organismen vorgefunden werden.

Schließlich wirkt die Kombination der beiden bisher diskutierten Mechanismen durch Hernandéz & Piccirilli befremdlich, denn die Szenarien sind chemisch nicht miteinander kompatibel. Hätte die durch thermische Konvektion vermittelte Replikation der unselektiven RNA-Welt in Gegenwart von Thioacetat und den entsprechenden Elektrophilen stattfinden können? Wohl kaum. Denn besonders im Bereich erhöhter Temperatur sind zahlreiche Nebenreaktionen zu erwarten. Dies gilt ganz besonders für chemisch aktivierte Nukleotide. Auch die angeführte Selektivität der Acetylierung würde bei höheren Temperaturen möglicherweise deutlich geringer ausfallen. Daher muss ein bestimmter Zeitpunkt des Hinzukommens dieser Reagenzien postuliert werden. Dies müsste jedoch an einem Ort geschehen, der von dem Bereich der thermischen Konvektion räumlich getrennt ist. Das sind sehr anspruchsvolle Forderungen an ein präbiotisches Modell.

Insgesamt besteht eine große Diskrepanz zwischen den experimentellen Daten, die den Arbeiten von Hernandéz & Piccirilli, Engelhart und Bowler zugrunde liegen, und den daraus gezogenen Schlussfolgerungen. Daher kann berechtigterweise nur von Vermutungen über hypothetische Vorgänge gesprochen werden bzw. Vermutungen, die nur eintreffen könnten, wenn die postulierten Vorgänge sehr genau gesteuert würden (Zeitpunkte der Zugabe von Reaktionspartnern, von Temperaturänderungen; sehr reine, ausgewählte Reaktanden usw.). Durch einen Experimentator auf präzise Weise gesteuerte Reaktionsfolgen sind notwendig, um labile und komplexe Moleküle wie Nukleinsäuren im Labor herzustellen. Die Annahme, dass Reaktionskaskaden in einer solchen Genauigkeit unter präbiotischen Bedingungen ablaufen können, ist nach allem bisherigen Wissen über das Verhalten der Materie unrealistisch. Vermutungen können ein guter Ausgangspunkt für eine wissenschaftliche Arbeit sein. Für naturwissenschaftliche Veröffentlichungen sind jedoch gerade bei kontrovers diskutierten Themen wie der Chemie der Lebensentstehung nüchterne Interpretation experimenteller Daten und zurückhaltende Schlussfolgerungen wünschenswert. Die hier diskutierten Befunde beschreiben konstante Eigenschaften bestehender molekularer Systeme. Daraus werden Schlussfolgerungen auf rein hypothetische Entstehungsvorgänge in der präbiotischen Welt gezogen. Notwendig wären jedoch experimentelle Befunde zu Entstehungsvorgängen katalytisch aktiver RNA-Moleküle unter plausiblen präbiotischen Bedingungen. Diese fehlen jedoch durchweg in der wissenschaftlichen Literatur zur RNA-Welt-Hypothese.

Literatur

Benner SA & Hutter D (2002)

Phosphates, DNA and the search for nonterrean life: A second generation model for genetic molecules. Bioorg. Chem. 30, 62-80.

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Prebiotically plausible oligoribonucleotide ligation facilitated by chemoselective acetylation. Nat. Chem. 5, 383-389.

Cowan DA (2004)

The upper temperature for life-where do we draw the line? Trends Microbiol. 12, 58-60.

Engelhart AE, Powner MW & Szostack JW (2013)

Functional RNAs exhibit tolerance for non-heritable 2’-5’ versus 3’-5’ backbone heterogeneity. Nat. Chem. 5, 390-394.

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Prebiotic RNA unstuck. Nat. Chem. 5, 360-361.

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Enzymfreie Replikation im Labor – ein plausibles Modell für erste Replikationssysteme? Stud. Integr. J. 20, 48-51.

Shapiro R (2007),

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Verlander MS, Lohrmann R & Orgel LE (1973)

Catalysts for the self-polymerization of adenosine cyclic 2’,3’-phosphate. J. Mol. Evol. 2, 303–316.