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Biomoleküle fördern die Bildung weiterer Biomoleküle, auch im Weltraum
Kosmische Kettenreaktion: In Laborversuchen unter Bedingungen interstellarer Staubkörner förderten bereits gebildete organische Rückstände die Entstehung längerer Peptidketten. Atomarer Wasserstoff verstärkte die Polymerisation zusätzlich und erhöhte die chemische Vielfalt. Ob dabei die Peptide selbst als Katalysatoren wirken, ist allerdings noch offen.
Jena (Deutschland). Peptide sind kurze Ketten aus Aminosäure-Bausteinen und gehören zu den grundlegenden Biomolekülen des Lebens. Doch ihre Vorstufen können offenbar schon lange vor der Entstehung von Planeten entstehen: frühere Laborexperimente unter Weltraumbedingungen hatten gezeigt, dass sich auf kalten Staubteilchen aus Kohlenstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak Aminoketen und daraus Peptidketten bilden können.
Jetzt haben Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU Jena) um Dr. Serge A. Krasnokutski untersucht, ob die bereits entstandenen organischen Produkte diese Chemie weiter antreiben. Im Mittelpunkt stand damit nicht nur die Bildung einzelner Biomoleküle, sondern die Frage, ob ein sich verstärkender Prozess zu längeren und vielfältigeren Molekülketten führen kann.
„In der Biochemie gibt es jedoch unzählige Beispiele, wie bereits vorhandene Biomoleküle zur Bildung von weiteren Biomolekülen beitragen. Wir wollten daher wissen, ob die organischen Moleküle, die wir unter Weltraumbedingungen erzeugen konnten, ebenfalls dazu fähig sind“, erklärt Dr. Serge A. Krasnokutski.
Für die Versuche nutzte das Team eine Ultrahochvakuum-Apparatur, in der Kohlenstoffatome, Kohlenmonoxid und Ammoniak auf einer goldbeschichteten Oberfläche kondensierten. Die Ausgangsstoffe wurden bei etwa zehn bis zwölf Kelvin aufgebracht, also nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. In einem Versuch hielt eine Argonmatrix die Teilchen zunächst voneinander getrennt, bevor eine Erwärmung auf 32 Kelvin ihre Bewegung und damit die Bildung von Aminoketen ermöglichte.
Beim weiteren Aufwärmen polymerisierte dieser hochreaktive Vorläufer zu längeren Ketten. Die Forscher analysierten die zurückbleibenden organischen Stoffe anschließend unter anderem mit hochauflösender Massenspektrometrie. Damit konnten sie Peptide verschiedener Kettenlängen und mehrere chemische Varianten voneinander unterscheiden.
Entscheidend war ein zweistufiger Versuch: Zunächst erzeugte das Team auf der Oberfläche einen festen organischen Rückstand, der vor allem Peptide und verwandte Moleküle enthielt. Danach wiederholten die Wissenschaftler die Reaktion auf genau dieser bereits beschichteten Oberfläche und verwendeten in der zweiten Runde mit Kohlenstoff-13 markierte Atome.
Die Isotopenmarkierung zeigte, dass die Produkte des ersten Durchgangs nicht einfach als Bausteine in die neu gebildeten Peptide eingebaut wurden. Trotzdem verschob sich die Verteilung auf dem vorbeschichteten Untergrund deutlich zu längeren Ketten. Unter diesen Bedingungen fanden die Forscher sogar Pentamere, während eine schnelle Erwärmung auf einer sauberen Goldoberfläche keine vergleichbare Verlängerung ergab.
Die Autoren werten dies als katalytischen Effekt des festen Rückstands. Welche Moleküle darin tatsächlich die Reaktion beschleunigen, lässt sich aus dem Experiment jedoch nicht bestimmen. Deshalb wäre es zu früh, bereits von einer nachgewiesenen Selbstkatalyse der Peptide zu sprechen.
„Die Ergebnisse sind deshalb noch kein Nachweis dafür, dass unter diesen Bedingungen tatsächlich Peptide ihre eigene Bildung katalysieren. Sie stützen aber die Hypothese eines selbstverstärkenden chemischen Prozesses, der zu Biomolekülen führt – und zwar im All selbst und nicht zwangsläufig auf Planeten“, erklärt Dr. Serge A. Krasnokutski.