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Clemens Richert erforscht die evolutionäre Rolle der RNA

Professor Clemens Richert erforscht mit seinem Team an der Universität Stuttgart, wie Ribonukleinsäure (RNA) an der Entstehung des Lebens auf der Erde mitgewirkt haben könnte. Eine ebenso wichtige wie ungelöste Frage war bisher, wie ohne Enzyme doppelsträngige RNA entstehen kann. Richert schaffte mit seinen Experimenten einen Durchbruch und liefert mechanistische Erklärungen.

Prof. Clemens Richert forscht und lehrt seit 2008 an der Universität Stuttgart. Ein Schwerpunkt seiner Arbeit ist die enzymfreie Primerverlängerung an Nukleinsäuren. © privat

Hat die Entstehung des Lebens auf der Erde ihren Ursprung in der Bildung von RNA-Molekülen? Die RNA-Welt-Theorie geht jedenfalls davon aus. „Es gibt wenig ernst zu nehmende Wissenschaftler, die daran zweifeln. RNA kann sowohl als genetisches Material, als auch als Katalysator biochemischer Reaktionen dienen“, sagt Prof. Dr. Dr. Clemens Richert, Leiter des Lehrstuhls für Biologische Chemie an der Universität Stuttgart. Einer seiner Forschungsschwerpunkte ist die enzymfreie Primerverlängerung, ein Vorgang, der auch in der enzymfreien Urwelt stattgefunden haben muss, damit die ersten RNA-Doppelstränge entstehen konnten.

Richert spricht von einem Henne-Ei-Problem: Normalerweise katalysieren Enzyme die biochemischen Schritte zur Entstehung von doppelsträngiger RNA, indem mit ihrer Hilfe an einem Einzelstrang komplementäre Nukleotide zum Doppelstrang angehängt werden – sie selber müssen aber auch in Genen kodiert sein. RNA kann zwar selbst enzymatisch wirken und wird dann als Ribozym bezeichnet, aber wie kam es zur erstmaligen Bildung von doppelsträngigen RNA-Molekülen? Die RNA-Welt-Hypothese geht von einer spontanen Molekülbildung aus, die durch bestimmte physikalische und chemische Umweltbedingungen begünstigt wurde. Inzwischen wurde experimentell bestätigt, dass eine mineralhaltige wässrige Umgebung sowie niedrige Temperaturen am Gefrierpunkt und darunter die Verknüpfung von Nukleotiden an einzelsträngige RNA-Stücke ermöglichen. Die Eisbildung im Wasser kann dann zur Bildung von Kanälen zwischen Eiskristallen führen, die räumlich die Assoziation der Komponenten fördert, wie Trinks (Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie) und Biebricher (TU Hamburg-Harburg) zuvor zeigen konnten.

Doppelstrangbildung scheiterte durch Inhibitor-Bildung

Vier verschiedene Ribonukleotide stehen für die sequenzielle Primerverlängerung zur Verfügung. Damit gelang die enzymfreie Bildung doppelsträngiger RNA an einem Einzelstrang als Matrize. © Clemens Richert, Universität Stuttgart

Das große Problem in allen bisherigen Ansätzen war jedoch, dass die Reaktion relativ schnell zum Erliegen kam. Die Ursache sind chemische Reaktionen, Hydrolysen, die im wässrigen Medium an den aktivierten Nukleotid-Monomeren ablaufen. „Das lässt sich nicht vermeiden, Hydrolysen finden in diesem Medium immer statt. Die hydrolisierten Produkte können dann jedoch an die Reaktionsstelle binden und inhibieren damit die Doppelstrangbildung“, sagt Richert. Er fand mit seinem Team eine Methode, um die Inhibitoren loszuwerden, und zwar vereinfacht ausgedrückt durch Wegwaschen: Die Forscher immobilisierten kurze RNA-Einzelstränge an Eisenoxid-Partikeln, gaben eine Lösung mit Nukleotiden für die Bildung des komplementären Stranges hinzu und tauschten die Lösung immer wieder durch frische aus. Dadurch hielt sich die Konzentration an inhibierenden Monomeren in beherrschbaren Grenzen und die Bildung von Doppelstrang-RNA gelang.

„Eisenoxid-Partikel haben wir schlicht deshalb verwendet, weil sie magnetisch sind. Die Partikel lassen sich dadurch gut festhalten und der Überstand wird abpipettiert. Das erleichtert uns die Handhabung“, sagt Richert. Mit seinen Experimenten gelang ihm nun erstmals, die Reaktion zur enzymfreien Bildung von RNA-Doppelsträngen gemischter Sequenz hocheffizient ablaufen zu lassen, wodurch eine wichtige Lücke in der RNA-Welt-Hypothese geschlossen werden kann. Das nächste Ziel des Forscherteam ist es, die Bildung möglichst langer Gegenstränge zu induzieren und damit immer näher in Richtung funktioneller RNA-Einheiten zu kommen. Das ist ein Schritt, der viele Einzelreaktionen benötigt – möglichst viele davon will Richert in einem einzigen experimentellen Ansatz ablaufen lassen. „Schlussendlich interessiert uns der Weg von einzelnen Nukleotiden zur Ribozym-Katalyse in einer Art Protozelle, die einen evolutionären Vorsprung erreicht“, so Richert.

Zwei Lösungswege in Fokus: Waschen und Rückaktivierung

Geplant ist, die RNA in Zukunft an Tonoberflächen zu binden. Das mag zwar den experimentellen Aufwand erhöhen, Tonmineralien eignen sich Richert zufolge jedoch zur Bildung längerer RNA-Stränge. „Im ersten Schritt haben wir ein fundamentales Problem lösen können. Der zweite Schritt ist nun, ein Szenario nachzuspielen, das für die Evolution realistischer ist“, sagt Richert. Auch will er es nicht bei dem Wegwasch-Prinzip belassen. Viel eleganter wäre es, die deaktivierten Monomere wieder zu reaktivieren, also einen Weg für die Rückaktivierung zu finden. „Diese Rückreaktion wollen wir beherrschbar und steuerbar machen“, so Richert.

Enzymfreie Reaktionen sollen zum Erfolgsmodell ausgebaut werden

Enzymfreie Reaktionen an Nukleinsäuren sind insgesamt ein Schwerpunkt seiner Arbeit, wobei Richert neben RNA auch mit der – wesentlich stabileren – DNA arbeitet. „Ein Großteil unserer Forschung befasst sich mit der Frage, wie wir normalerweise enzymatisch katalysierte Vorgänge enzymfrei preiswerter und robuster machen können. In einem DFG-geförderten Projekt erforschen wir zum Beispiel die enzymfreie Primerverlängerung an den aminoterminalen Enden von DNA“, erklärt Richert. Dabei sieht er durchaus auch kommerziellen Nutzen der neuen Methoden. „Interessant wäre das zum Beispiel für Anwendungen, bei denen robust und preiswert kleine Abschnitte RNA oder DNA sequenziert werden sollen. Auch wer ungewöhnliche Formen von Nukleinsäurestrukturen aufbauen will, kann davon profitieren“, sagt Richert. Unternehmen, die in dieser Richtung tätig sind, bietet er jedenfalls gerne eine Zusammenarbeit an.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Ein Monomer ist die kleinste Moleküleinheit (Baustein) eines Oligomers bzw. Polymers.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Terminal ist ein Synonym für endständig, abschließend, beendend, begrenzend. Eine terminale Aminosäure befindet sich am Ende einer Peptidkette. In der Medizin wird der Begriff terminale Erkrankung verwendet, wenn die Krankheit tödlich verläuft.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Als Primer wird eine kurze Nukleotidsequenz bezeichent, die als Ausgangspunkt für die DNA-Replikation durch die DNA-Polymerasen dient.
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