Vom Molekül zum Organismus

Ein solches Treffen der chemischen Grundbausteine k?nnte in hydrothermalen Schloten in der Tiefsee oder in einem urzeitlichen Gezeitent¨¹mpel, in dem sich durch Verdunstung Molek¨¹le aufkonzentrieren konnten, stattgefunden haben. Die hohen Konzentrationen f¨¹hrten zur spontanen Synthese komplexerer Molek¨¹le. ?Im offenen Ozean wird das nicht passieren, weil die Verd¨¹nnung viel zu gross ist?, gibt der Forscher zu bedenken.

Weg zur ersten Zelle

Wie es jedoch zur Bildung einer ersten Zelle kam, wissen Forschende nur ansatzweise. ?Dar¨¹ber haben wir nur sehr wenige Informationen?, sagt Riek, der auch Physik und Biologie als fachlichen Hintergrund hat.

Zentral scheint jedoch zu sein, dass sich in der molek¨¹lreichen Ursuppe geschlossene Kompartimente formieren konnten, und daf¨¹r brauchte es Fetts?uren. Solche Vorg?nger von Lipiden k?nnen sich spontan zu Membranen zusammenlagern und kleine Bl?schen bilden ¨C von der Ursuppe abgetrennte Reaktionsgef?sse also, in denen Substanzen und Molek¨¹le noch st?rker aufkonzentriert werden. Ein solches Vesikel beg¨¹nstigt und beschleunigt chemische Reaktionen um ein Vielfaches.

Von primitiv zu komplex

?Die Vesikelbildung war wohl auch der Schl¨¹ssel f¨¹r die Entstehung von Einzellern, in denen sich komplexere Molek¨¹le wie RNA weiter vervielf?ltigen konnten und in denen sich ein Stoffwechsel entwickelte, der gen¨¹gend Energie erzeugt, um die Vervielf?ltigungsprozesse zu beschleunigen, und die Weitergabe genetischer Information verbesserte?, erg?nzt Martin Pilhofer, Professor am Institut f¨¹r Molekularbiologie und Biophysik der ETH Z¨¹rich.

?Wie lange diese Phase dauerte, ist unklar. Je weiter wir in der Erdgeschichte zur¨¹ckgehen, desto unsicherer werden unsere Hypothesen und Erkenntnisse?, sagt Pilhofer. Auch das Auftreten der ersten Einzeller l?sst sich nicht genau festmachen. Gesch?tzt wird, dass sie vor rund 3,5 bis 4 Milliarden Jahren in Erscheinung traten, wie fossile Bakterien belegen. Mit Sicherheit war die Erde vor 3 Milliarden Jahren belebt.

Wahrscheinlich ist, dass die ersten Einzeller an Orten mit externer Energieversorgung entstanden ¨C also im Umfeld von hydrothermalen Schloten in der Tiefsee oder von heissen Quellen, wie es sie beispielsweise im Yellowstone-Nationalpark gibt. Erst durch die Entwicklung eines eigenen Stoffwechsels gelang es den Einzellern, sich von der externen Energiequelle unabh?ngig zu machen und neue Lebensr?ume zu erobern.

Urahn aus der Tiefsee

Im Umfeld von solchen Unterseeschloten k?nnten sich einzellige Lebewesen fr¨¹h in unterschiedliche Richtungen entwickelt haben: ?Wir vermuten, dass sich an solchen extremen Orten urspr¨¹ngliche Einzeller bald nach ihrer Entstehung in Bakterien und Archaeen aufspalteten?, sagt Mikrobiologe Pilhofer.

Bakterien und Archaeen, fr¨¹her auch als Archaebakterien oder Urbakterien bezeichnet, sind meist einzellige Organismen ohne Zellkern. Sie bilden im phylogenetischen Stammbaum zwei grosse Dom?nen. Eine dritte Dom?ne stellen die Eukaryonten dar. Eukaryonten haben im Gegensatz zu Bakterien und Archaeen einen Zellkern, in welchem die Erbsubstanz DNA gehortet wird. Eine weitere Eigenheit von Eukaryonten sind zudem die durch Membranen abgetrennten Zellkompartimente wie Mitochondrien oder Chloroplasten.

Forschende suchen schon lange nach Erkl?rungen daf¨¹r, wie aus bakteriellen oder archaeellen Mikroben Eukaryonten hervorgehen konnten. Viele Wissenschaftler:innen halten es f¨¹r m?glich, dass eine Wirtszelle ein Bakterium ?geschluckt? hat. Dieses hat sich im Laufe der Zeit zum Mitochondrium, dem Kraftwerk von Eukaryonten, weiterentwickelt. ?Dass es ein solches Ereignis gegeben hat, ist unumstritten?, sagt Pilhofer. Ein weiteres solches Ereignis d¨¹rfte auch dazu gef¨¹hrt haben, dass ein photosynthetisch aktives Cyanobakterium in eine Zelle aufgenommen wurde und zum Chloroplasten wurde, der in gr¨¹nen Pflanzen und Algen Photosynthese betreibt.

Welches diese Wirtszelle ¨C der Urahn der Eukaryonten - gewesen sein k?nnte, ist hingegen nicht klar. Nun aber l¨¹ftet sich der Schleier: Vor wenigen Jahren publizierten Wissenschaftler:innen neue Erkenntnisse ¨¹ber eine urspr¨¹ngliche Gruppe von Archaeen, die erst k¨¹rzlich entdeckt wurde.

Sie stammen von einem thermalen Tiefseeschlot namens Loki¡¯s Castle. Das Hydrothermalfeld, wo 300 Grad Celsius heisses Wasser aus den Gesteinskaminen str?mt, wurde erst 2008 im Nordatlantik in 2300 Metern Tiefe gefunden. Schwedische Forschende nahmen Sedimentproben und analysierten das darin enthaltene genetische Material. Damit konnten sie die Genome von unbekannten Organismen rekonstruieren. ?Diese Erkenntnisse haben die Sichtweise auf den Stammbaum des Lebens revolutioniert?, betont Pilhofer.

Denn die Genome deuteten auf eine neue Gruppe von Archaeen hin, die in Anlehnung an den Fundort Loki¡¯s Castle zuerst als Loki-Archaeen bezeichnet wurden, sp?ter aufgrund weiterf¨¹hrender genomischer und morphologischer Untersuchungen als Klasse der Asgard-Archaeen eingeteilt wurden.

Diese neu beschriebenen Mikroorganismen liessen den Schluss zu, dass Eukaryonten nicht eine eigene Dom?ne sind, sondern eine Unterdom?ne der Asgard-Archaeen. Den Grund daf¨¹r erkl?rt Martin Pilhofer so: ?Das Genom der Asgard-Archaeen enth?lt einige Gene, die wir typischerweise nur aus Eukaryonten kennen. Ein prominentes Beispiel ist das Gen, welches die Erbinformation f¨¹r das Zytoskelettprotein Aktin tr?gt. Das heisst, die Archaeen verf¨¹gen ¨¹ber Proteine, die wir bisher nur in Eukaryonten gefunden haben.?

Der Mikrobiologe mit Spezialgebiet Zytoskelette hat denn auch eine m?gliche Erkl?rung, wie die urspr¨¹ngliche Asgard-Archaee sich das Bakterium schnappen konnte: dank Tentakeln, die durch Aktin gest¨¹tzt werden. Damit erkunden sie ihre Umgebung und treten mit anderen Organismen in Austausch.

Da Archaeen und Bakterien an solch extremen Orten oft in dicht gepackten, artenreichen biologischen Rasen (engl. biological mats) wachsen, finden unz?hlige Interaktionen zwischen Individuen und unterschiedlichen Arten statt. Mit den Tentakeln k?nnte ein Asgard-Archaeum schliesslich das fragliche Bakterium umschlossen und sich einverleibt haben. ?Es d¨¹rfte also eine urzeitliche Asgard-Archaee gewesen sein, die ein Bakterium aufgenommen hat und den Grundstein legte f¨¹r die Entwicklung eukaryontischer Zellen?, erkl?rt Pilhofer.

Mit seiner Gruppe ist er daran, hochaufgel?ste Elektronenmikroskopiebilder von den Asgard-Archaeen zu machen. Auf den bisherigen Bildern kann er nicht gut genug beurteilen, ob diese Organismen ein Zytoskelett haben. Auch wollen die ETH-Forschenden kl?ren, wie die Zellmembran der Asgard-Archaeen aussieht und ob es in diesen Zellen ein spezielles inneres Membransystem gibt. ?Diese Forschung hilft uns, besser zu verstehen, wie sich eine Wirtszelle, die einst mit einem Bakterium verschmolzen ist, zu einer komplexen eukaryontischen Zelle weiterentwickelt hat?, sagt Pilhofer.