|
1953 erkannten Watson und Crick die
Doppelhelix-Struktur des Erbmoleküls DNA. Die Struktur des
DNA-Moleküls lieferte den Schlüssel für ein Verständnis der
Replikation, dem molekularen Mechanismus der Vererbung. Im gleichen
Jahr erschien die Arbeit eines zu diesem Zeitpunkt völlig unbekannten
jungen Studenten, der im Labor von Harold C. Urey (Chemie-Nobelpreis
1934) an der University of Chicago arbeitete. Stanley Miller hatte
nachgewiesen, dass Aminosäuren entstehen, wenn man in einer
Umlaufapparatur die Komponenten der damals vermuteten reduzierenden
Uratmosphäre unseres Planeten, Methan, Wasserstoff, Ammoniak und
Wasserdampf einer elektrischen Funkenentladung aussetzt. Millers
Apparat wurde zur Ikone der chemischen Evolution, einer
Forschungsrichtung, die sich bemüht, die Entstehung des Lebens
schrittweise im Labor nachzuvollziehen.
Leben ist komplexe molekulare
Informationsverarbeitung, die sich im Nanometerraum abspielt.
Information ist im Erbmolekül DNA gespeichert, die mit Hilfe von
RNA-Molekülen verarbeitet und in Proteine übersetzt wird. Proteine
erfüllen in der Zelle ihre vorprogrammierte Funktion, z.B. als
Gerüstmoleküle oder als enzymatische Katalysatoren im Stoffwechsel der
Zelle. Sie "sprechen" in mannigfaltiger Weise mit dem Erbmolekül DNA,
ermöglichen dessen Replikation und konstituieren so ein
selbstorganisierendes informationsverarbeitendes Netzwerk, das auf
Arbeitsteilung angelegt ist. Diese Arbeitsteilung zwischen DNA als
genetischer Informationsträger, RNA als Übersetzer und Proteinen als
Funktionsträger erfordert die Existenz eines hochkomplexen
Übersetzungsapparats, der schrittweise entstanden sein muss.
Am Anfang des Lebens standen vermutlich RNA- oder
RNA-artige Moleküle, die alle lebensnotwendigen Funktionen inklusive
die ihrer eigenen Selbstreplikation erfüllt haben mussten. Das
jedenfalls impliziert die Hypothese einer "RNA-Welt", die unserer
heutigen "DNA-RNA-Protein-Welt" vor mehr als 3.5 Milliarden Jahren
vorausgegangen sein soll. Für die RNA-Welt spricht die mit dem
Nobelpreis für Chemie gewürdigte Entdeckung von Ribozymen, d.h.
Ribonucleinsäuren (RNA) als Enzymen, sowie der Befund, dass kurze
Stücke von Nucleinsäuren zur enzymfreien Selbstreplikation befähigt
sind. Beide Entdeckungen haben zu wichtigen Entwicklungen in der
Chemie geführt: Katalytisch aktive RNA-Moleküle sowie RNA-Moleküle mit
gewünschten Eigenschaften können heute ebenso wie Proteine durch
evolutive Biotechnologie im Reagenzglas maßgeschneidert werden. Die
Aufklärung der enzymfreien Selbstreplikation hat dafür gesorgt, dass
Chemiker das Prinzip Selbstreplikation inzwischen in "fremde"
Strukturklassen, etwa Peptiden und sogar abiogenen Molekülen,
übertragen haben. Auch die Nutzung von Biomolekülen für eine
programmierbare Nanotechnologie gehört zu den Arbeitsfeldern, die
inzwischen im Kontext chemischer Forschung stehen.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts steht die Chemie vor
einer gewaltigen Herausforderung. Der Biologie ist es nämlich per se
alleine nicht möglich, aus der Kenntnis der heutigen Lebensformen
Aussagen über die Entstehung des Lebens aus chemischen
Vorläufersystemen abzuleiten. Ähnlich wie die Quantenmechanik im
letzten Jahrhundert dazu beigetragen hat, dass man chemische
Strukturen und chemische Reaktionen heute viel besser versteht, kommt
der Chemie heute die Aufgabe zu, die Wurzeln der Biologie zu finden.
Das, was alle biologische Systeme von den heute bekannten chemischen
Systemen unterscheidet, ist Evolvierbarkeit im Darwinschen Sinne. Die
Frage heißt also: Wie schafft es ein aus molekularen Bausteinen
bestehendes chemisches System, dem genügend freie Energie zur
Verfügung steht, ein Netzwerk von Reaktionen zu entwickeln, das
hinsichtlich der Struktur seiner Reaktionsprodukte, der Dynamik ihrer
Wechselwirkungen "lernfähig" ist, komplexes emergentes Verhalten
hervorbringt und sich immer besser auf äußere Änderungen
("Umweltbedingungen") anzupassen vermag.
Die meisten hier tätigen Chemiker gehen heute davon
aus, dass Reaktionsprodukte eines solchen Systems ähnlich wie die DNA
und RNA Templateigenschaften besitzen und zudem strukturell
Information speichern müssen. Informationsspeicherung ist am
einfachsten dadurch realisierbar, dass Information in der Anordnung
der Bausteine, also als Sequenz kodiert ist. Je länger die
Reaktionsprodukte werden, desto mehr Information kann gespeichert
werden. Information kann u.a. dadurch erzeugt werden, dass aus kleinen
Bausteinen große Moleküle gebildet werden. Sie wird in einem
Darwinschen Prozess stets funktionell bewertet. Jede Sequenz kann sich
in programmierter Weise falten und definiert hierüber den chemisch
funktionellen Kontext des Moleküls. Dieser Kontext ist in der Aufgabe
zu sehen, die das Molekül im Netzwerk erfüllt. Chemisch gesehen sind
es Aufgaben wie Bindung, Katalyse, Transport und Kompartimentierung.
Eine wichtige Aufgabe besteht in der Selbstreplikation: Das Netzwerk
muss Reaktionsprodukte enthalten, die in der Lage sind, ihre eigene
Sequenz und die weiterer Reaktionsprodukte zu kopieren, wozu die
Reaktionsprodukte selbst Templateigenschaften besitzen müssen. Die
Erforschung von "minimalem Leben" und die Erzeugung von "Protozellen"
definiert ein neues Arbeitsgebiet, das inzwischen als "synthetische
Biologie" bezeichnet wird und in dem Chemie und Biologie aufeinander
zugehen. Dem biologischen "top-down"-Ansatz (Welche Funktionen lassen
sich aus einer Zelle entfernen, ohne dass die Lebensfähigkeit zerstört
wird) steht der "bottom-up"-Ansatz der Chemie gegenüber (Welche
Funktionen müssen synthetisch erzeugt werden, um Lebensfähigkeit in
der denkbar primitivsten Form zu entwickeln). Mit der im November 2002
erfolgten Ankündigung des Nobelpreisträgers Craig Venter, er werde das
im Humangenomprojekt gespeicherte Wissen für die Konstruktion
minimaler Zellen einsetzen, wurde das Startsignal für diese
Entwicklung gesetzt.
Die Chemie ist dabei auf dem "bottom-up"-Weg nicht
notwendigerweise gezwungen, von den natürlichen Biomolekülen
auszugehen. Sie kann zur synthetischen Biologie auch durch
Bereitstellung struktureller Alternativen von Biomolekülen beitragen.
Für die Erzeugung "alternativer Biomoleküle" steht heute ein immenses
und leistungsstarkes Methodenarsenal der organischen Synthesechemie
zur Verfügung, das ergänzt wird durch das Methodenarsenal der
Molekularbiologie und der evolutiven Biotechnologie. In kombinierter
Anwendung dieser Methoden entstehen artifizielle Proteine,
Nucleinsäuremimetika, die die Natur nicht kennt und sogar Bausteine,
die im Kontext einer programmierbaren Nanotechnologie den Entwurf und
die Erzeugung hochkomplexer Nanokonstrukte für vielfältige Anwendungen
gestatten. Selbst die Replikation solcher Nanokonstrukte scheint nicht
mehr im Bereich des Science Fiction zu liegen. Wer heute noch glaubt,
die Chemie sei ein "reifes" Fach, in dem keine neuen Herausforderungen
mehr liegen können, der hat sich gewaltig getäuscht. In der neuen
Chemie fließen Biologie, Informatik, die Physik komplexer Systeme und
die Nanowissenschaften zusammen. Das ehemalige "Kernfach" Chemie hat
sich längst zu einem Interface der Naturwissenschaften, der Medizin,
und selbst der Kognitionswissenschaften gemausert. Chemische Evolution
bedeutet eben auch Evolution der Chemie. |
