Linkshändige Proteine – ein Rätsel der Evolution

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Für ihre Bewerbung um den KlarText-Preis für Wissenschaftskommunikation 2020 in der Kategorie Physik veranschaulichte Johanna Klyne, was sie in ihrer Promotion erforscht hat.


Unser Körper baut Proteine nach einem speziellen Rezept. Warum, ist eines der größten Rätsel der Biochemie.

Wir reisen zurück bis an den Ursprung des Lebens. Seit rund 3,5 Milliarden Jahren gibt es Leben auf der Erde. Bis heute aber liegt im Dunkeln, wie alles begann. Tatsächlich ist nicht einmal klar, ob das Leben auf der Erde selbst entstanden ist oder gar durch Kometeneinschläge aus dem All auf die Erde gebracht wurde. Biologen, Chemiker und Physiker suchen daher auf der Erde und im Weltall nach Hinweisen darauf, wie Leben entstehen konnte. Eng verknüpft mit dem Ursprung des Lebens ist eines der größten Rätsel der Biochemie: die „Linkshändigkeit von Proteinen“. Genau diesem faszinierenden Phänomen ist meine Forschungsgruppe von Physikern an der TU Berlin auf der Spur.

Im Zuge der Evolution sind unterschiedlichste Bausteine des Lebens entstanden – so auch Proteine. Diese bilden eine der wichtigsten Stoffgruppen in unserem Körper, umgangssprachlich Eiweiße genannt. Proteine übernehmen wesentliche Aufgaben in unserem Körper: unsere Muskeln, unsere Haut und unsere Knochen bestehen daraus. Proteine sind lange Ketten aus kleineren Molekülen, den Aminosäuren. Und eben die Aminosäuren bringen die rätselhafte Linkshändigkeit der Proteine ins Spiel. Denn sie besitzen eine interessante Eigenschaft: sie sind chiral, haben also eine festgelegte Händigkeit. Es gibt linkshändige Aminosäuren und rechtshändige. Man kann sie sich als kleine Moleküle vorstellen, die einander auf den ersten Blick gleichen. Das linkshändige sieht allerdings aus als würde man das rechtshändige Molekül in einem Spiegel betrachten. Einige Teile des Moleküls schauen einfach in die umgekehrte Richtung. Wie unsere rechte und linke Hand kann man chirale Aminosäuren unendlich oft drehen, sie werden nie deckungsgleich – sie sind nämlich Spiegelbilder voneinander.

Unser Körper baut seine Proteine selbst, indem er Aminosäuren aneinanderreiht. Wie genau diese Aneinanderreihung aussieht – das Kochrezept also – regeln unsere Gene. Und die sind wählerisch: Erstaunlicherweise baut unser Körper all seine Proteine ausschließlich aus linkshändigen Aminosäuren. Keine einzige rechtshändige wird verwendet. Warum unser Körper diese spezielle Auswahl trifft, ist bis heute unklar. Ganz im Gegenteil ist dieses Phänomen – die Linkshändigkeit der Proteine – ein faszinierendes Rätsel, das uns die Evolution stellt.

Eines der größten Rätsel der Evolution führt uns bis an den Ursprung des Lebens: die Linkshändigkeit der Proteine. Spezielle Bausteine der Proteine, linkshändige Aminosäuren, wie die hier dargestellte, sind auf der Erde extrem viel häufiger als rechtshändige Aminosäuren. ©Pixabay/Johanna Klyne

Was wir bisher wissen, ist, dass in unserem Körper linkshändige Aminosäuren gegenüber rechtshändigen in einer gigantischen Überzahl sind. Es schwirren enorm viel mehr linkshändige Proteinbausteine durch unsere Zellen. Kein Wunder, dass unser Körper nur linkshändige Aminosäuren verbaut, wenn er kaum rechtshändige finden kann! So einfach ist es jedoch nicht: Unser Körper weiß ganz genau, dass er nur linkshändige Aminosäuren benutzen darf. Sonst würden unfähige Proteine entstehen, die unwirksam sind oder sogar Schaden anrichten. Die Schlussfolgerung: Es muss einen Schritt in der Evolution geben, der das Kochrezept „nur linkshändige Aminosäuren einbauen“ festgelegt hat.

Wie könnte so ein Evolutionsschritt aussehen? Wir reisen wieder an den Ursprung des Lebens. Nehmen wir einmal an, es herrschte schon früh in der Evolution vor Milliarden von Jahren ein sehr großer Überschuss an linkshändigen Aminosäuren. Unter solchen Umständen könnten sich rein zufällig Lebewesen mit linkshändigen Proteinen gebildet und durchgesetzt haben. Dieser Zufall wäre dann der besagte Evolutionsschritt – die wohl einfachste Erklärung. Und in der Tat ist ein solches Szenario denkbar. Forschende haben nämlich Hinweise gefunden, dass ein Überschuss von linkshändigen Aminosäuren bestanden haben könnte, als das Leben noch in den Kinderschuhen steckte.

Allerdings bezeugen die Hinweise nur einen sehr kleinen initialen Überschuss. Zu linkshändigen Proteinen würde dieser kleine Überschuss an linkshändigen Aminosäuren aber noch lange nicht führen! Nein, es braucht noch einen weiteren Schritt in der Evolution: Und zwar muss sich aus dem kleinen Vorsprung der linkshändigen Aminosäuren das gigantische Ungleichgewicht entwickelt haben, das heute in unserem Körper zu finden ist. Um das zu erreichen, musste es einen Mechanismus geben, der den kleinen initialen Überschuss verstärkt hat. Wie aber könnte so ein Mechanismus aussehen? Das war für uns das eigentliche Rätsel.

Exakt an dieser Stelle beginnt daher die Forschung unseres Teams von Physikern und Chemikern von der TU Berlin, dem Fritz-Haber-Institut Berlin und dem Tokyo Institute of Technology. Wir suchen den Mechanismus, der den kleinen Überschuss an linkshändigen Aminosäuren im Zuge der Evolution verstärkt hat. Wir suchen ihn auf der Ebene der Moleküle. Unsere These ist, dass die besondere „Kommunikation“ der chiralen Aminosäuren der gesuchte Verstärkungsmechanismus sein könnte. Die besondere Kommunikation zwischen den Aminosäuren als des Rätsels Lösung – das kann man sich folgendermaßen vorstellen. Betrachten wir einmal unsere Hände. Sie sind das Paradebeispiel für zwei chirale Objekte. Beim Handschlag „kommunizieren“ unsere Hände: in der Regel reichen sich zwei Menschen gegenseitig ihre rechte Hand. Streckt allerdings einer dem anderen seine Linke entgegen, funktioniert das Händeschütteln nicht mehr. Das Beispiel Handschlag zeigt, dass zwei chirale Objekte wie unsere Hände einander erkennen können: Zwei rechte Hände passen sehr gut zusammen, eine Linke und eine Rechte aber nicht. Genau dieses Bild wollten wir nun auf die Ebene der Aminosäuren übertragen. Ist es möglich, dass zwei linkshändige Aminosäuren einfach besser zueinander passen als eine rechts- und eine linkshändige?

Aminosäuren sind chirale Moleküle. Sie sind entweder linkshändig oder rechtshändig. Genau wie unsere Hände sind linkshändige und rechtshändige Aminosäuren Spiegelbilder voneinander. ©Johanna Klyne

Untersucht haben wir hierzu also eine Aminosäure. Genauer gesagt, schauten wir uns an, welche Duos entstehen, wenn man zwei Aminosäuren aneinanderhängt. Ähnlich wie beim Handschlag also. Laser und Computersimulationen halfen uns aufzudecken, ob zwei linkshändige Aminosäuren besser zueinander passen als eine links- und eine rechtshändige. Wenn dem so wäre, könnten sich linkshändige Aminosäuren gegenseitig verstärken und den initialen Überschuss über die Milliarden Jahre der Evolution enorm vergrößern. Möglich wäre das. Was besser zusammenpasst, ist stabiler. Und in der Natur gilt das Prinzip: Je stabiler etwas ist, desto häufiger tritt es auf.

Im Labor am Tokyo Institute of Technology isolierten wir bei einer Temperatur von -260 °C Duos aus zwei Aminosäuren und bestrahlten sie mit Laserlicht. Diese antworteten dann auf das Laserlicht. Jedes Aminosäuren-Duo reagierte auf den Laser und strahlte Licht an uns zurück. Dieses Licht sammelten wir. Der Clou an unserem Experiment ist, dass jedes Duo seinen eigenen charakteristischen Fingerabdruck aus Licht entsendete, ein sogenanntes Spektrum. Dieses haben wir nun genau analysiert. Mit Hilfe der Quantenmechanik lässt sich anhand des Spektrums die Struktur des Aminosäuren-Duos berechnen. Auch wie die zwei chiralen Aminosäuren miteinander kommunizieren, wird durch unsere Computersimulationen sichtbar.

Wir identifizierten auf diese Weise mehrere Duos aus zwei Aminosäuren. Wir entschlüsselten ihre Struktur mit Hilfe unserer Laser und Supercomputer und kamen zu einem für uns überraschenden Ergebnis: Entgegen unserer Erwartung passten die gemischthändigen Aminosäuren besser zusammen – nicht die beiden linkshändigen. Das unerwartete Ergebnis faszinierte uns und wir suchten nach der Ursache. Am Computer verglichen wir noch einmal ganz genau die Strukturen der links- und gemischthändigen Duos. Wir suchten speziell nach Anzeichen auf die Kommunikation zwischen den Aminosäuren – wir hatten ja die leise Vorahnung, es könne die subtile Kommunikation zwischen den Aminosäuren sein, die den Ausschlag gibt. Also schauten wir genau hin. Und tatsächlich fanden wir den entscheidenden Unterschied: Das gemischthändige Aminosäuren-Duo wird durch eine schwache Anziehungskraft zusammengehalten, die es in den rein linkshändigen Duos nicht gibt. Interessant! Für uns bedeutete das nämlich: Links- und rechtshändige Aminosäuren können sich wirklich gegenseitig erkennen wie unsere Hände beim Handschlag. Wir fanden zwar zunächst einen Widerspruch zu unserer Forschungsthese. Doch trotz des aufgedeckten Widerspruchs war unser Ergebnis für uns ein Erfolg. Wir haben erste Indizien gefunden, wie die Erkennung zwischen den chiralen Aminosäuren funktionieren könnte. Die Grundlage ist die spezifische Kommunikation der chiralen Aminosäuren.

Das Laserlabor der Forschungsgruppe von Prof. Masaaki Fujii am Tokyo Institute of Technology. Bei -260 °C wurden tiefgekühlte Aminosäuren-Duos mit Laserlicht bestrahlt. Ihre Reaktion auf das Licht verrät ihre Struktur und vor allem, wie die beiden Aminosäuren miteinander kommunizieren. ©Johanna Klyne

Am Ende bleibt jedoch die wichtige Frage: Führt diese besondere Kommunikation nun zu linkshändigen Proteinen? Die Antwort darauf ist weiterhin unklar. Mit unserem Ansatz haben wir herausgefunden, dass ein gemischthändiges Aminosäuren-Duo besser zusammenpasst als ein linkshändiges. Das würde nicht zu einem Überschuss an linkshändigen Aminosäuren führen, wie wir ihn heute in unserem Organismus finden – ein Widerspruch zu unserer Erwartung! Allerdings haben wir nur eine von vielen Aminosäuren untersucht. Wie verhalten sich also die anderen? Die Beantwortung dieser Frage verlangt nach weiterer, vermutlich langjähriger Forschung.

Unsere Suche nach dem Grund für die Linkshändigkeit der Proteine wird also weitergehen. Die Idee, dass es eine besondere Kommunikation zwischen den chiralen Aminosäuren gibt, ist möglicherweise ein erster Schritt in die richtige Richtung. Wir sind zuversichtlich.


Johanna Klyne wurde 1989 in Büdingen geboren. Von 2009 bis 2016 studierte sie Physik an der Technischen Universität Berlin. Für ihre Promotion spezialisierte sie sich auf Molekülphysik und erforschte unter anderem die Wechselwirkungen von chiralen Molekülen. Im März 2019 schloss sie ihre Dissertation „Spectroscopy of protonated aromatic and chiral biomolecules“ bei Otto Dopfer an der Technischen Universität Berlin ab. Hiernach arbeitete sie als wissenschaftliche Redakteurin für das Beilstein Journal of Nanotechnology in Frankfurt am Main. Seit 2021 ist sie Referentin für PR und Wissenschaftskommunikation für das Exzellenzcluster UniSysCat an der Technischen Universität Berlin. Johanna Klyne hat eine Tochter und lebt mit ihrer Familie in Potsdam.

1 Kommentar

  1. Das hier besprochene Experiment zeigt also, dass es mindestens eine Aminosäure gibt, deren gemischthändige Exemplare sich besser binden als deren gleichhändige. Da aber nur eine Aminosäure untersucht wurde, kann man daraus noch nicht auf das Verhalten sämtlicher Aminosäuren schliessen. Mir scheint auch, um die vorherrschende Linkshändigkeit von biogenen Molekülen verstehen zu können, müsste man die chemischen Prozesse untersuchen, die zur Bildung von Aminosäuren führen und nicht die chemischen Prozesse, die zur Bindung zwischen Aminosäuren beitragen.

    In Meteoriten werden oft organische Moleküle gefunden. In einigen Fällen findet man sowohl linkshändige wie rechtshändige organische Moleküle, weit häufiger aber findet man ein Überwiegen der linkshändigen Varianten. Dies ist schon einmal ein Hinweis, dass Linkshändigkeit in der organischen Chemie auf Asteroiden bevorzugt wird.

    Die Reuters-Meldung Asymmetric molecule, key to life, detected in space for first time vom 14. Juni 2016 berichtet über linkshändiges Propylenoxid, das in einer riesigen Wolke aus Gas und Staub nahe dem Zentrum der Milchstraße gefunden wurde.
    Ferner liest man da (übersetzt von Google Translate):

    Die Entdeckung von Propylenoxid im Weltraum stärkt die Theorien, dass die Chiralität kosmischen Ursprungs ist.

    „Es ist ein bahnbrechender Schritt nach vorn in unserem Verständnis davon, wie präbiotische Moleküle im Universum hergestellt werden und welche Auswirkungen sie auf die Ursprünge des Lebens haben können“, sagte der Chemiker Brett McGuire vom National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, in einer Erklärung.

    Ferner sind diese Funde von linkshändigen Molekülen im Weltraum ein Hinweis darauf, dass Vorläufer von Lebensmolekülen ihren Ursprung im Weltraum haben und sich diese Vorläufermoleküle dann unter planetarischen Bedingungen weiterentwickelt haben.

    Im obigen Artikel liest man noch:

    Tatsächlich ist nicht einmal klar, ob das Leben auf der Erde selbst entstanden ist oder gar durch Kometeneinschläge aus dem All auf die Erde gebracht wurde.

    Ja, vor allem die Tatsache, dass man in alten Gesteinen der Erde Überreste von 3.5 oder sogar 4 Milliarden Jahre alten Einzellern gefunden hat, spricht dafür, dass das Leben nicht auf der Erde selbst entstanden ist, sondern, dass es mit Meteoriten-/Kometeneinschlägennhierhin kam. Grund: Einzeller sind bereits hochkomplex und bestehen aus hunderten von Erbbausteinen, von Nukleotiden. Es gibt also eine evolutionäre Lücke vom Punkt Null des Lebens bis zu den ersten Einzellern. Das wird im Artikel Life before Earth herausgestellt. Dort liest man in der Kurzzusammenfassung:

    Eine Extrapolation der genetischen Komplexität von Organismen auf frühere Zeiten legt nahe, dass das Leben begann, bevor die Erde entstand. Das Leben könnte von Systemen mit einzelnen vererbbaren Elementen ausgegangen sein, die einem Nukleotid funktionell äquivalent sind. Die genetische Komplexität, grob gemessen an der Anzahl der nicht redundanten funktionellen Nukleotide, dürfte aufgrund mehrerer positiver Rückkopplungsfaktoren exponentiell gewachsen sein: (1) Genkooperation, (2) Duplikation von Genen mit anschließender Spezialisierung (z Differenzierungsbäume in mehrzelligen Organismen) und (3) die Entstehung neuer funktioneller Nischen, die mit bestehenden Genen assoziiert sind. Die lineare Regression der genetischen Komplexität (auf einer logarithmischen Skala), die auf nur ein Basenpaar extrapoliert wird, legt die Entstehungszeit des Lebens = 9,7 ± 2,5 Milliarden Jahre nahe. Anpassungen für potenzielle hyperexponentielle Effekte würden den projizierten Ursprung des Lebens noch weiter in die Vergangenheit verschieben, nahe an den Ursprung unserer Galaxie und des Universums selbst vor 13,75 Milliarden Jahren.

    Der Ursprung des Lebens liegt also womöglich weit zurück und fällt vielleicht fast mit dem Ursprung des Universums zusammen. Das bedeutet dann wohl auch, dass die Chemie nach der wir suchen müssen, eine kosmische Chemie, eine Weltraumchemie, sein muss.

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