Über die Entstehung des Lebens
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Über die Entstehung des Lebens Wissenschaft Explorative Wissenschft hypothesengetriebene Wissenschft Spontane Entstehung von Leben Urzeugung durch „vis vitalis“ Ein einfaches Rezept Spontane Entstehung von Leben? Francesco Redi (1668) Frage: Woraus entstehen Maden? Hypothese: Aus Fliegen, nicht aus Fleisch Experiment: Offenes versus abgedecktes Fleisch Voraussage: Im abgedecketen Gefäß wachsen keine Maden Hypothesengetriebene Wissenschaft Kaufmann (2011) Frage: Womit sehen Fliegen? Hypothese: Mit den Flügeln Experiment: Fliegen mit und ohne Flügel fangen Voraussage: Fliegen ohne Flügel fliegen nicht weg Urzeugung nur bei Mikroorganismen Heuaufguß: Mikroorganismen entwickeln sich spontan aus Heu Urzeugung nur bei Mikroorganismen Lazzaro Spallanzani (1766) Frage: Woraus entstehen Mikroorganismen? Hypothese: Aus Luft Experiment: Bouillon mit und ohne Stopfen Voraussage: Im Gefäß mit Stopfen wächst nichts Wissenschaft Louis Pasteur (1859) Frage: Woraus entstehen Mikroorganismen? Hypothese: Aus Mikroorganismen in der Luft Experiment: Gebogenes Glas zur Luftzufuhr Voraussage: Keine Mikroorganismen trotz Luft Pasteur 1959 Louis Pasteur: Die Urzeugung ist ein Hirngespinst Omne vivum ex vivo Omne vivum ex ovo William Harvey (1578-1657) Das ultimative Henne-Ei Problem: Wer hat wen erschaffen? Was ist Leben? Es bewegt sich Wolken leben, ein Kaktus ist tot Es wächst Lawinen leben, Menschen sind im Alter tot Es pflanzt sich fort Ein Feuer oder ein Kristall leben, eine Arbeiterameise ist tot Es evolviert Manche Computerprogramme und Makromoleküle leben Was ist Leben? „Ich werde diese Frage nicht beantworten.“ (John Burdon Sanderson Haldane, 1947) Was ist Leben? „Das ist nicht nur eine schwierige Frage; vielleicht ist es noch nicht einmal die richtige Frage." (Manfred Eigen, 1995) Was ist Leben? „Life is a succession of energy-producing electro-chemical processes by a naturally occurring, simple or complex organism composed of a combination of molecules, each consisting of systematically arranged carbon, hydrogen and oxygen atoms, and a few other elements, forming cells, which consume 'food' and produce 'waste', both consisting of solid, aqueous, and gaseous matter; the process is called metabolism; the organism is capable of living within the environment without dependency on any other organism; energy use is manifest by growth with size limits for most; self-healing; possibly movement; self-replication with each offspring slightly different; irritability; capable of modifying their living environment, both beneficially and detrimentally; with eventual termination of energy production, or death. Exceptions are egg, sperm, spore, seeds and virus, which do not consume food or produce waste; the first four are replication structures, and the fifth has premature life-terminating capabilities.“ (a “consensus” definition after a 1993 meeting at Brandeis University of the International Society of History, Philosophy, and Social Studies of Biology) Was ist Leben? „Life is a succession of energy-producing electro-chemical processes by a naturally occurring, simple or complex organism composed of a combination of molecules, each consisting of systematically arranged carbon, hydrogen and oxygen atoms, and a few other elements, forming cells, which consume 'food' and produce 'waste', both consisting of solid, aqueous, and gaseous matter; the process is called metabolism; the organism is capable of living within the environment without dependency on any other organism; energy use is manifest by growth with size limits for most; self-healing; possibly movement; self-replication with each offspring slightly different; irritability; capable of modifying their living environment, both beneficially and detrimentally; with eventual termination of energy production, or death. Exceptions are egg, sperm, spore, seeds and virus, which do not consume food or produce waste; the first four are replication structures, and the fifth has premature life-terminating capabilities.“ (a “consensus” definition after a 1993 meeting at Brandeis University of the International Society of History, Philosophy, and Social Studies of Biology) Was ist Leben? „Life is a succession of energy-producing electro-chemical processes by a naturally occurring, simple or complex organism composed of a combination of molecules, each consisting of systematically arranged carbon, hydrogen and oxygen atoms, and a few other elements, forming cells, which consume 'food' and produce 'waste', both consisting of solid, aqueous, and gaseous matter; the process is called metabolism; the organism is capable of living within the environment without dependency on any other organism; energy use is manifest by growth with size limits for most; self-healing; possibly movement; self-replication with each offspring slightly different; irritability; capable of modifying their living environment, both beneficially and detrimentally; with eventual termination of energy production, or death. Exceptions are egg, sperm, spore, seeds and virus, which do not consume food or produce waste; the first four are replication structures, and the fifth has premature life-terminating capabilities.“ (a “consensus” definition after a 1993 meeting at Brandeis University of the International Society of History, Philosophy, and Social Studies of Biology) gi eg e en er at io A n da pt K at an io n al is ie ru ng R En er Pr og ra Im m m pr ov is K at om io pa n rt im en te Was ist Leben? Daniel E. Koshland Jr. (2002) Was ist Wasser? Es ist feucht Es kann gefrieren Es kann sich in Dampf verwandeln H2O Was ist Leben? Arbeitsdefinition: Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution Problem I: Wann entstand das Leben? Urknall Sonne Erde Ende der Periode schwerer Meteoriteneinschläge vor 3,8 Milliarden Jahren heute Lösung: vor 3,5 Milliarden Jahren William Schopf Urknall heute Problem II: Wie entstanden die Bausteine? Nukleinsäuren Proteine Nukleotide Zucker Stickstoffbasen Atome Aminosäuren Lösung I: anorganisch im Weltall Atome Aminosäuren PAHs & Stickstoffbasen Zucker Lösung 2: anorganisch in der Ursuppe A. I. Oparin J. B. S. Haldane Miller-Urey-Experiment: Aminosäuren Blitze Regen Meer Wolken Problem III: das Henne-Ei-Paradoxon Alle Moleküle hängen extrem gegenseitig voneinander ab Information Struktur & Funktion Vorläufige Lösung: die RNA-Welt (keine Proteine, keine DNA) katalytische RNA (Enzym und Informationsspeicher) Walter Gilbert Thomas Cech Sidney Altman CoA FAD tRNA NADH ATP rRNA Problem IV: das Komplexitäts-Problem Die Wahrscheinlichkeit, dass auch nur ein kleines Protein- oder Nukleinsäuremolekül aus seinen Bausteinen zufällig entsteht, ist astronomisch gering Problem IV: das Komplexitäts-Problem Vorläufige Lösung I: der Hyperzyklus Manfred Eigen Vorläufige Lösung II: autokatalytische Verbände Autokatalyse: A+B E E Stuart Kauffman Problem V: Anabolismus und Energie Anabolismus: A-OH + H-B A-B + H2O Vorläufige Lösung I: Hitze Aminosäuren + Hitze Proteinoide + H2O Sidney Fox Proteinoide + H2O Mikrosphären Vorläufige Lösung II: die Thioester-Welt O R1-SH + HOOC-R2 R1-S-C-R2 + H2O wasserfreie Umgebung heiße saure Umgebung Christian de Duve Acetyl-CoA Acyl-CoA Vorläufige Lösung III: Pyritoberflächen FeS2 + H2 ΔG°= -38 FeS + H2S 4CO2 + 7H2 (CH2-COOH)2 + 4H2O ΔG°= -151,4 reduktiver Zitratzyklus PDH rückwärts Günter Wächershäuser Glukoneogenese bis Oxalacetat Liponsäure Ferredoxin FeS-cluster Vorläufige Lösung IV: Thermosynthese Sadi Carnot (1824) Räumliche bzw. zeitliche Temperaturgradienten können in nutzbare Energie überführt werden ATP-Synthase ADP H2O ATP ATP β-leer Pi β-ADP β-ATP Konformationsänderungen werden durch die Rotation der γ-Untereinheit aus F0 angetrieben pF1 H2O ADP ATP Pi ATP pF1-ADP pF1-ATP Konformationsänderungen werden durch Temperaturänderungen angetrieben pF1-leer Protoanabolismus durch Thermosynthese Anthonie W. Muller Die Suche nach pF1 Lebewesen, die in Umgebungen mit großen zeitlichen oder räumlichen Temperaturgradienten und möglichst keinen anderen Energiequellen vorkommen Die Suche nach pF1 Thermophile Mikroorganismen thermophilenspezifisch 65 °C 58 °C 60 °C http://www.uni-wh.de/PCOGR Bestes Ergebnis: COG1618 http://www.uni-wh.de/PCOGR Bioinformatik: THEPs Anzahl der mesophilen Organismen im COG (von 53) Anzahl der thermophilen Organismen im COG (von 13) 0 13 1 2 COG1618 COG3635 12 COG1980 11 COG1581 COG1350 COG1888 COG1909 3 4 5 COG1355 COG2078 COG1371 COG1144 COG1730 COG1503 COG1820 COG1867 COG1618 10 9 COG1110 COG1318 COG1630 COG2250 THEP1 COG1618: predicted nucleotide kinase COG3635: predicted phosphoglycerate mutase, APsuperfamily COG1350: predicted alternative tryptophan synthase β-subunit (paralog of TrpB) THEPs THEP1 aus Aquifex aeolicus Klonierung und Reinigung Mr [K] 97 66 43 31 21 14 - 1 2 3 4 THEP1 ist eine ATPase 32 Pi - [γ- P]ATP 32 time [min] 0 5 15 30 120 0 30 120 + aq_1292 - aq_1292 THEP1 ist ein thermophiles Enzym -1 ATP hydrolysis [µM min ] 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 20 30 40 50 60 70 80 temperature [°C] 90 100 THEP1 hydrolysiert ATP und GTP 0.008 turnover rate [s-1] 0.007 kcat = 9 + 3 x 10 -3 s -1 GTP: Km = 45 + 25 x 10 -6 M kcat/Km = 200 s -1 M-1 0.006 0.005 0.004 ATP: 0.003 kcat = 5 + 0.3 x 10 -3 s -1 Km = 5.5 + 1.4 x 10 -6 M kcat/Km = 909 s -1 M-1 0.002 0.001 0.000 0 25 50 75 ATP / GTP [µM] 100 125 THEP1 wird durch NTPs, NDPs, nicht aber durch NMPs kompetitiv gehemmt turnover rate [s -1] 0.003 0.002 0.001 0.000 0 250 500 GTP [µM] 750 1000 THEP1 ist ein Monomer 5.5 Kav = 4.24 Mr = 17,700 log(Mr) 5.0 4.5 4.0 3.5 0.5 0.6 0.7 Kav 0.8 THEP1 ist gegen limitierte Proteolyse resistent THEP1 lässt sich kristallisieren aaTHEP1-Kristalle streuen bis zu einer Auflösung von 1,8 Angström aaTHEP1 THEPs Das wars! 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