Wie und wo entstand das erste Leben auf der Erde? Und wie sah dieser gemeinsame Vorfahre allen Lebens (LUCA) aus? Bisher ist dies eines der großen Rätsel der Biologie. Klar scheint, dass sich dafür essenzielle Lebensbausteine wie Aminosäuren, das Erbmaterial RNA oder DNA und Membranhüllen zusammenfanden und eine rudimentäre Zelle bildeten. Damit diese aber lebensfähig war, brauchte sie einen funktionierenden Zellstoffwechsel – biochemische Reaktionen, die ihr die Energie für Wachstum und Vermehrung lieferten.
420 unverzichtbare Reaktionen schon bei der Urzelle
„Der Zellstoffwechsel ist eine unverzichtbare Zutat des Lebens: Nur durch ihn kann die Zelle in der Umwelt vorhandene Moleküle in Lebensbausteine und andere chemische Zellkomponenten umwandeln“, erklären Natalia Mrnjavac von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und ihre Kollegen. Analysen legen nahe, dass es rund 420 grundlegende Reaktionen gibt, die schon die erste Urzelle brauchte. Doch damit diese Zellmaschinerie funktioniert, müssen die biochemischen Reaktionen energetisch günstig sein – oder Katalysatoren nutzen.
Doch an genau diesem Punkt wird es kompliziert und strittig: Heute katalysieren Zellen ihre Stoffwechselreaktionen mit einer entsprechenden Anzahl an Enzymen – Molekülen, die die energetische Schwelle von biochemischen Reaktionen senken. Aber vergleichende Analysen legen nahe, dass der gemeinsame Vorfahre allen Lebens noch nicht alle nötigen Enzyme besessen haben kann. Doch wie konnte er ohne sie sein Erbmaterial, Proteine und Zellbestandteile bilden?
Aus dem letzten gemeinsamen vorfahren allen Lebens (LUICA) entwickelten sich Bakterien und Archaeen. Aus deren Verschmelzung durch Endosymbiose entstanden später die ersten eukaryotischen Zellen mit Zellkern und Organellen. — © William Martin
Die Hälfte der nötigen Enzyme fehlte noch
Diese Frage haben Mrnjavac und ihr Team mithilfe einer molekularen Zeitreise untersucht. Dafür verglichen sie die Genome von 552 Bakterien und 401 Archaeen und ermittelten daraus, welche Gene schon beim letzten gemeinsamen Vorfahren dieser beiden ersten Äste des Lebensstammbaums vorhanden gewesen sein könnten. Dies verrät, wie diese ersten Zellen Aminosäuren, Erbgutbasen und die als Zusatzkatalysatoren nötigen Kofaktoren herstellten.
„Wir fanden heraus, dass LUCA, der letzte gemeinsame Vorfahr aller Zellen, nur Enzyme für etwa die Hälfte der Stoffwechselreaktionen besaß“, berichtet Seniorautor William Martin von der Universität Düsseldorf. Konkret hatte diese Urzelle wahrscheinlich 166 Enzyme – von mehr als 360 nötigen. Weitere 89 essenzielle Enzyme kamen erst später beim gemeinsamen Vorfahren aller Bakterien dazu, 38 Enzyme entwickelte der Vorfahren der Archaeen.
Metalle als Ersatz-Katalysatoren
Wie der Ur-Vorfahre des Lebens dennoch Proteine und Erbmaterial erzeugen konnte, enthüllten weitere Analysen. Sie zeigten, dass bestimmte Metalle als Ersatz-Katalysatoren gedient haben könnten. „Metalle, die natürlicherweise in hydrothermalen Quellen vorkommen, können eine überraschend große Anzahl von Enzymen im Stoffwechsel ersetzen“, berichtet Co-Autor Harun Tüysüz vom IMDEA Materialforschungsinstitut in Madrid.
So können beispielsweise die Metalle Nickel und Eisen zehn Enzyme und zehn Kofaktoren im Acetyl-CoA-Stoffwechselweg ersetzen, wie das Team ermittelte. Nickel und Palladium katalysieren wiederum die Anlagerung von Phosphatgruppen an wichtige Lebensbausteine und chemische Energieträger. „Phosphit und Palladium können dadurch ATP und Enzyme ersetzen – eine neue und wichtige Erkenntnis, um die frühe Evolution zu verstehen“, sagt Mrnjavacs Kollegin Manon Schlikker. Und auch die Umwandlung von CO2 in organische Moleküle wird durch diese Metalle katalysiert.
Für ihre essenziellen Stoffwechselreaktionen benötigten die ersten Urzellen Metalle wie Nickel, Eisen oder Molybdän. Diese ersetzten noch nicht entwickelte Enzyme. — © William Martin
Abhängig von hydrothermalen Schloten?
„Je genauer wir hinschauen, desto deutlicher erkennen wir, dass die frühe biochemische Evolution eine Mischung aus enzymatischen und metallischen Katalysatoren war. LUCA hatte einen hybriden Stoffwechsel, der zur Hälfte metallkatalysiert und zur Hälfte enzymatisch ablief“, erklärt Co-Autor Joseph Moran von der University of Ottawa in Kanada.
Das bedeutet aber auch, dass der erste Vorfahre allen Lebens nur dort existieren konnte, wo diese Metall-Katalysatoren reichlich vorhanden waren – beispielsweise an hydrothermalen Schloten. Diese mineralreichen Geysire der Tiefsee gelten schon länger als vielversprechende Wiegen des ersten Lebens. Doch um sich weiterzuentwickeln und neue Lebensformen hervorzubringen, müssen die ersten Zellen diese Abhängigkeit überwunden und die noch fehlenden Enzyme und Kofaktoren entwickelt haben. Wann und wie dies geschah, haben die Forschenden ebenfalls herausgefunden.
Zwei Ursprünge freilebender Zellen
Dabei zeigte sich Unerwartetes: „Überraschenderweise sind die Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, nicht über die evolutionäre Kluft hinweg konserviert, die Bakterien und Archaeen trennt“, erklärt Martin. Diese beiden ersten Hauptäste des Lebens haben demnach unabhängig voneinander unterschiedliche Enzyme für dieselben Stoffwechselreaktionen erfunden.“ Erst diese Vorfahren der Bakterien und Archaeen wurden dadurch zu freilebenden Zellen mit eigenem Stoffwechsel.
„Die neuen Daten lassen nur einen Schluss zu: Bakterien und Archaeen haben den Übergang von den Hydrothermalquellen zum freilebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen“, sagt Martin. „Aber nur freilebende Zellen sind wirklich lebendig. Um es auf den Punkt zu bringen: Es gibt einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens.“
Quelle: Natalia Mrnjavac (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aef3128
