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Chaos und Evolution: Die Anfänge des Lebens

Unser Körper besteht zu rund zwei Dritteln aus Wasser. Dazu kommen noch Kohlenstoff, Stickstoff und eine Vielzahl von selteneren Elementen. Aus dem komplexen Zusammenspiel dieser unbelebten Bausteine sind über Milliarden von Jahren hinweg die vielfältigsten Lebensformen entstanden, von den „primitiven“ Urbakterien bis hin zur „Krone der Schöpfung“, Homo sapiens – der vernunftbegabte Mensch – hat sich nicht nur die Erde untertan gemacht; wir sind auch als einzige Art in der Lage, über unsere Entstehung‘ nachzudenken.

Wie entsteht Ordnung aus Chaos, Leben aus toter Materie? Aristoteles, der die Entstehung von Fischen und Insekten aus Schlamm gelehrt hatte, irrte ebenso wie Johan Baptista van Helmont, der im Mittelalter ein Rezept für die „Erzeugung“ von Mäusen aus Getreide und schmutziger Wäsche entwickelte.

Stanley Miller im Jahr 1999. In seinen Experimenten zur Entstehung des Lebens erzeugte der Biochemiker aus einfachsten Zutaten die Bausteine des Lebens. (Quelle: NASA/Wikipedia)

Bereits in den fünfziger Jahren wurde nachgewiesen, wie aus den einfachen Gasen der Uratmosphäre so hochkomplizierte Moleküle des Lebens wie Eiweiße und Nukleinsäuren entstanden sein könnten. Stanley Miller, damals noch Chemiestudent in Chicago, erhitzte eine Mischung aus Kohlendioxid, Methan, Ammoniak und Wasserstoff mit Wasser. Die Gewitter der Uratmosphäre wurden durch elektrische Entladungen, das Sonnenlicht durch UV-Lampen ersetzt.

Zum großen Erstaunen der Fachwelt gelang es Miller, nicht nur Zucker und Fettsäuren, sondern auch Nukleotide und Aminosäuren herzustellen, die Bausteine der Nukleinsäuren und Eiweiße also. Schließlich produzierten die Wissenschaftler in ihren Glaskolben sogar kurze Nukleinsäuren und Eiweißketten.

Aus dem Zusammenwirken von einigen simplen Gasen konnten also Moleküle mit überraschenden neuen Eigenschaften entstehen; eins plus eins ist manchmal mehr als zwei. Eiweiße und Nukleinsäuren sind nämlich in der Lage, Informationen zu speichern und zu vermehren. Die Reihenfolge ihrer Bausteine liefert die Betriebsanleitung, nach der alle Lebewesen funktionieren.

Das Wechselspiel zwischen diesen beiden Molekülklassen macht Leben überhaupt erst möglich. Ein Naturgesetz – der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – besagt nämlich, dass unser gesamtes Universum unaufhaltsam einem Zustand völliger Zufälligkeit und Unordnung zustrebt, den wir Wärmetod nennen. Nukleinsäuren und Eiweiße schaffen dagegen Inseln der Ordnung, Lebewesen also, indem sie die Unordnung im Universum durch ihren Stoffwechsel vergrößern.

Nachdem also die Entstehung der ersten primitiven Nukleinsäuren und Eiweiße geklärt scheint, bleibt die Frage nach dem Urahn aller Lebewesen. Irgendwann müssen die vorhandenen Bauteile sich selbständig zum ersten zellähnlichen Gebilde organisiert haben, von dem wir alle abstammen. Ein ganz unwahrscheinlicher Zufall soll nach Ansicht des Nobelpreisträgers Jacques Monod alle Bestandteile der „Urzelle“ zusammengeführt haben. Wenn Monod recht hat, wäre die Urzeugung ein mit Sicherheit einmaliger Vorgang. Die Erde als der einzige bewohnte Planet im Universum?

Thomas R. Cech fand Hinweise, wonach die einfache Nukleinsäure RNA gleichzeitig als Informationsträger funktioniert und biochemische Reaktionen ausführen kann. (Von Jane Gitschier [CC BY 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons)

Die Entdeckung eines anderen Nobelpreisträgers zeigt einen Ausweg aus dem Dilemma: Der Amerikaner Thomas Cech fand heraus, dass sich unter günstigen Umständen eine einzelsträngige Nukleinsäure (RNA) selbst verdoppeln kann, und dafür nicht auf Eiweiße angewiesen ist. Diese molekularen Vielzweckkünstler sind also gleichzeitig Träger von Information und Funktion; befehlendes und ausführendes Element in einem. Viele Experten glauben darum, dass RNA-Moleküle an der Schwelle zum Lebendigen stehen.

Diese Beobachtung kann allerdings nur die Entstehung relativ kurzer RNA-Moleküle erklären, denn die Verdoppelung der RNA ist sehr fehleranfällig, Auch die einfachsten Lebewesen tragen heute tausendmal längere Erbfaden mit sich, die aus einer zweisträngigen Nukleinsäure – der DNA – bestehen. Diese „Doppelhelix“ ist stabiler und bei der Verdoppelung weniger fehleranfällig als die RNA, dafür aber längst nicht so vielseitig.

Mit seinen Experimenten am Göttinger Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie will ein dritter Nobelpreisträger diesen „Knackpunkt“ der Evolution erhellen. Professor Manfred Eigen hat mit seiner Arbeitsgruppe einen ganzen Maschinenpark entworfen, mit dem die Evolution der ersten RNA-Moleküle simuliert werden soll. Der 62jährige Physiker glaubt, dass verschiedene Typen von RNA-Molekülen sich zu Anfang gegenseitig bei der Vermehrung halfen. Diese Art von Teamwork – Eigen spricht von einem „Hyperzyklus“ – ist ein weiteres Beispiel dafür, wie aus der Kombination bekannter Bausteine neue Eigenschaften entstehen könnten.

Chaosforscher sprechen von „Nichtlinearität“, was besagt, dass neue Wechselwirkungen zwischen den Teilen des Systems auftreten, die nicht vorherzusehen sind. Der Physiker und Philosoph Dr. Bernd Olaf Küppers bringt diese Beobachtung auf den Punkt, indem er sagt: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.“ Evolution läuft demnach gesetzmäßig ab, ist aber nicht voraussagbar.

„Evolution ist Chaos mit Rückkopplung“, meint der amerikanische Physiker Joseph Ford, einer der Pioniere der Chaosforschung. In den Versuchen am Göttinger Max-Planck-Institut besorgen Roboter diese Rückkopplung. Bei der Verdoppelung der verschiedenen RNA-Moleküle in ihren Reagenzgläsern schleichen sich Fehler ein. So entstehen Nachkommen mit veränderten Eigenschaften. Eigens Maschinen suchen nun automatisch diejenigen RNAs heraus, die sich am schnellsten vermehren und bieten diesen Molekülen die Möglichkeit zur weiteren Vermehrung. Innerhalb erstaunlich kurzer Zeit entstehen so RNA-Typen, die sich an ihre künstliche Umgebung optimal angepasst haben.

Vieles spricht dafür, dass sich vor rund vier Milliarden Jahren auf der Erde ein ähnlicher Prozess abgespielt hat. Mehrere erfolgreiche RNA-Moleküle bildeten vielleicht einen Hyperzyklus, zu dem später auch primitive Eiweiße hinzutraten.

Die Einzelheiten dieser Entwicklung werden sich wohl nie genau aufklären lassen. Es bleiben Lücken in unserer Vorstellung, die momentan noch mit recht diffusen Ideen verdeckt werden. So ist es beispielsweise immer noch unklar, wie sich ein erfolgreicher Hyperzyklus samt Eiweißen von seiner Umgebung abgrenzen und so die erste Zelle bilden konnte. Auch der Übergang von der RNA zur DNA als Träger der Erbinformation verschwimmt im Rückblick auf geschätzte 4000 Millionen Jahre Entwicklung.

(erschienen in der WELT am 20. August 1990. Letzte Aktualisierung am 19. März 2017)

Harald Varmus und Michael Bishop gewinnen den Nobelpreis für Medizin 1989

Harald E. Varmus (Quelle: Wikipedia Commons)

Harald E. Varmus (Quelle: Wikipedia Commons)

Ausgezeichnet werden in diesem Jahr die beiden amerikanischen Mediziner Harald E. Varmus und J. Michael Bishop. Varmus wurde am 18. Dezember 1939 in Oceanside im Staat New York geboren. Er besuchte das Amherst College in Massachusetts und studierte dann in Harvard. 1966 promovierte er an der Columbia-Universität. Michael Bishop wurde am 22. Februar 1936 in York im US-Staat Pennsylvania geboren. Er studierte in Gettysburg und Harvard und arbeitete danach an den National Institutes of Health bei Washington. Gemeinsam arbeiten die Preisträger an der Abteilung Mikrobiologie und Immunologie der Universität von Kalifornien in San Francisco

Michael Bishop und Harold Varmus wurden für ihre Entdeckung des „zellulären Ursprungs der retroviralen Onkogene“ ausgezeichnet. In der Begründung für die Vergabe des Medizin-Nobelpreises heißt es: „Die Entdeckung betrifft eine große Menge von Genen, die das normale Wachstum und die Teilung der Zellen kontrollieren. Störungen in einem oder einigen dieser Gene verwandeln sie in Onkogene (Griechisch: onkos – Geschwulst, Tumor). Dies kann dazu führen, dass eine normale Zelle in eine Tumorzelle verwandelt wird und eine Krebsgeschwulst veranlasst.“

Bestimmte Viren können die normalen Gene in ihre Erbsubstanz aufnehmen. Dabei können diese in Onkogene umgewandelt werden. Bei der Vermehrung der Viren werden die veränderten Gene wieder in das menschliche Erbgut eingebaut.

Schon um die Jahrhundertwende wurde erstmals der Verdacht geäußert, dass Viren Krebs verursachen können. Peyton Rous vom amerikanischen Rockefeller Institut gelang es 1910, Tumoren zwischen Hühnern zu übertragen. Rous benutzte dazu einen Extrakt aus den Zellen befallener Tiere. Er äußerte damals die Vermutung, dass hier Viren im Spiel seien, stieß damit aber bei seinen Kollegen auf taube Ohren.

Erst Jahrzehnte später – das Elektronenmikroskop war in der Zwischenzeit erfunden worden – konnte das Virus zweifelsfrei nachgewiesen werden. Im Alter von 85 Jahren erhielt Rous mit dem Nobelpreis des Jahres 1966 eine späte Anerkennung seiner Arbeiten.

 J. Michael Bishop (Quelle: General Motors Cancer Research Foundation, via Wikipedia Commons)

J. Michael Bishop (Quelle: General Motors Cancer Research Foundation, via Wikipedia Commons)

Natürlich war man nicht damit zufrieden, nur zu wissen, dass Viren Tumoren hervorrufen können. Wie genau erreicht das Virus die drastischen Änderung in Form und Eigenschaften der befallenen Zellen? Die Beantwortung dieser Frage wurde erheblich erleichtert, als man fand, dass bestimmte Tumorviren, die sogenannten Retroviren, in Gewebekulturen Veränderungen an lebenden Zellen hervorrufen können, die denen in Tumorzellen ähneln. Als die moderne Biologie das Zerlegen der Erbsubstanz in kleinere Abschnitte ermöglichte, konnte man fragen, welcher Teil des Virus für die krebsartigen Veränderungen der Wirtszellen verantwortlich war.

Beim Rous-Sarkoma Virus entdeckte Steven Martin von der Universität Berkeley das erste „Krebsgen“. Viren bestehen im wesentlichen aus einigen wenigen Genen, verpackt in einer Hülle aus Eiweißen. Nach dem Eindringen in ihre Wirtszellen werden gemäß den Anweisungen der  retroviralen Gene Eiweißstoffe produziert, die das Virus zu seiner Vermehrung benötigt. Eine andere Vermehrungsmöglichkeit für diese „Parasiten der Zelle“ besteht darin, das Erbmaterial des Virus in das zelleigene Erbmaterial einzuschmuggeln. Mit jeder Zellteilung wird dann das Virus vermehrt und kann sogar, wenn es sich in einer Keimzelle einnistet, auf die nächste Generation übertragen werden.

Michael Bishop und Harald Varmus haben mit ihren Arbeiten herausgefunden, woher Retroviren wie das Rous-Sarkoma Virus ihre krebserregenden Gene haben. 1972 überprüften Bishop und Varmus mit Dominique Stehelin, die „Krebsgen-Hypothese“, die am Nationalen Krebsinstitut (NCI) aufgestellt worden war. Dort hatten Robert Huebner und George Todaro vermutet, dass die Krebsgene der untersuchten Viren zum genetischen „Gepäck“ aller Zellen gehören. Bei einer Virusinfektion, die weit in der Evolution zurückläge, hätten die Viren Kopien normaler zellulärer Gene „aufgepickt“.

Wenn diese Überlegung richtig ist, so dachten die Nobelpreisträger, müsste sich das „Krebsgen“ des Rous-Sarkoma Virus auch in normalen Zellen nachweisen lassen. Dieses Unternehmen allerdings glich der berühmten Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Die Zellen von Wirbeltieren enthalten nämlich – anders als die untersuchten Viren – zehntausende verschiedener Gene. Stehelin war es, der eine Gen-Sonde herstellte, mit der sich das gesuchte Gen aus der großen Menge des restlichen Erbmaterials herausfischen ließ.

Er machte sich dabei die Tatsache zunutze, dass das Erbmaterial (DNA) in Form eines Doppelstranges vorliegt, dessen Hälften zueinander passen wie Schlüssel und Schloss. Nach dem Mischen der viralen Genkopie mit den Hälften des Doppelstranges findet das Krebsgen sein zelluläres Gegenstück und lagert sich an dieses an. Eine radioaktive Markierung der Gensonde erlaubte es den Forschern, diesen Vorgang zu beobachten. Der Beweis, das es in normalen Zellen Gene gab, die mit dem Krebsgen verwandt waren, war damit erbracht.101

1976 zogen dann Bishop, Varmus und Stehelin die Schlussfolgerung, dass das Onkogen im Virus kein wirkliches Virusgen ist, sondern ein normales Zellgen, welches das Virus in der Wirtszelle aufgegriffen und weitergeführt hat. Dies warf aber die Frage auf, warum dann nicht alle „normalen“ Zellen zu Tumorzellen werden. Hierauf fand man gleich zwei Antworten. Die viralen Krebsgene unterscheiden sich meistens nämlich doch von ihren zellulären Vorläufern, nur sind die Unterschiede so gering, dass sie erst nach einer sehr genauen Untersuchung des jeweiligen Erbmaterials zu Tage treten. Man kennt heute Dutzende von Onkogenen, zusammen mit den Eiweißstoffen (Proteine) die gemäß dieser Bauanleitungen in den Zellen gefertigt werden.

Bei den Hunderten von Bausteinen dieser Proteine kann ein einziger Austausch genügen, um die Eigenschaften des Proteins völlig zu verändern Die Kontrolle über Zellwachstum und Zellteilung geht verloren; ein Krebsgeschwür kann entstehen.

Als zweite Möglichkeit kann ein Virus, das Teile seines Erbmaterial in das „gesunde“ Erbmaterial einführt, auch die Regulation in der Zelle durcheinander bringen. Wird die Anzahl der gefertigten Moleküle dagegen von einem Virus bestimmt, kann es leicht zur Überproduktion mancher Stoffe kommen, ebenfalls mit fatalen Folgen.

Mittlerweile hat Stehelin die Auszeichnung seiner US-Kollegen als „sehr ungerecht“ verurteilt. „Ich habe die Arbeit ganz allein gemacht, von A bis Z“, äußerte der Franzose, der als Erstautor in dem Artikel geführt wird, mit dem die Ergebnisse des Teams 1976 erstmalig publik gemacht wurden.

(überarbeitete Fassung meines Artikel in der WELT vom 10. Oktober 1989)