Home | Kontakt | Impressum | ÜbersichtDeutschEnglish
NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Freitag, 01. Dezember 2017

Der Unterschied macht’s

Ursprung des Lebens

pH-Gradient durch Wärmeenergie. Bild: C. Mast

pH-Gradient durch Wärmeenergie. Bild: C. Mast

Thermophorese zur Energieversorgung früher Zellen. Ein Team um den NIM-Wissenschaftler Dr. Christof Mast zeigt, wie Wärmeenergie einen pH-Gradienten als Energiequelle für das erste Leben erzeugt haben könnte.


Der Transport von positiv geladenen Protonen entlang eines pH-Gradienten dient der Energiegewinnung in zellulären Systemen, der Gradient wird durch Membranen aufrechterhalten. Ohne eine Membran mit hochentwickelten Pumproteinen wird es schwierig, Protonen davon abzuhalten, ihre Konzentration in der Flüssigkeit sofort wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Ein Team um den NIM-Wissenschaftler Öffnet externen Link in neuem FensterDr. Christof Mast in der Arbeitsgruppe von Professor Dieter Braun hat einen Prozess entdeckt, der pH-Unterschiede auch ohne Membranen nur mit Hilfe eines Wärmeflusses durch eine wassergefüllte Pore erzeugen kann. Thermische Energie wird in chemisch nutzbare Energie umgewandelt.
„Lebendige Zellen nutzen pH-Unterschiede als universellen Antriebsmechanismus ihrer Zell-Kraftwerke,“ erläutert Mast. Vor etwa vier Milliarden Jahren, vor der Evolution von Protonenpumpen, waren andere Mechanismen zur Erzeugung von pH-Gradienten nötig. „Auf der frühen Erde könnte die thermisch getriebene Induktion eines pH-Unterschiedes in der Nähe von Wärmequellen in porösem Gestein erreicht worden sein.“ ergänzt Lorenz Keil, der Erstautor der Veröffentlichung in Öffnet externen Link in neuem FensterNature Communications.

Protonenfluss als Energiequelle
Ähnlich wie ein Wasserkraftwerk Energie aus dem Abfließen von Wasser entlang eines Höhenunterschiedes erzeugt, können Zellen ihre chemische Energie durch den kontrollierten Ausgleich von Protonen entlang eines pH-Unterschiedes durch eine Membran aufbauen. Solche pH-Unterschiede spielten auch für die Bildung der wichtigsten molekularen Bausteine des Lebens wie der Ribonukleinsäure (RNA) und verschiedener Aminosäuren auf der frühen Erde eine wichtige Rolle.
Der Wärmefluss, wie er zum Beispiel in ozeanischen Hydrothermalfeldern vorkommt, erzeugt einen Temperaturunterschied zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Pore und verursacht zwei entscheidende Effekte: Biomoleküle wandern durch die sogenannte Thermophorese entlang des Temperaturunterschiedes zur kalten Seite hin. Zugleich entsteht eine Umlaufströmung in der Pore durch das Absinken des etwas dichteren Wassers auf der kalten und das Aufsteigen des leichteren Wassers auf der heißen Seite. Das Zusammenspiel beider Mechanismen konzentriert die stärker geladenen Moleküle auf dem Porenboden. Dort können sie freie Protonen aufnehmen und somit für einen höheren pH-Wert im Vergleich zur Porenoberseite sorgen.

Motor der ersten Zellen der Erdgeschichte?
Durch thermische Umlaufbewegungen könnten die ersten Zellen zwischen Bereichen mit unterschiedlichem pH-Wert hin- und hergewechselt sein. Der vergleichsweise schnelle Transport von Vesikeln könnte einen Protonengradienten über proto-zelluläre Membranen verursacht haben, ähnlich zu den Protonenpumpen in ihren modernen Verwandten. „Frühe Zellen hätten mit dieser Methode also schon chemische Energie gewinnen können, ohne dazu aktive Protonenpumpen zu benötigen.“ fasst Mast zusammen.
Ein einfacher Temperaturunterschied stellt demnach nicht nur ein hilfreiches Werkzeug zur Bildung und Vervielfältigung der ersten Biomoleküle dar, sondern könnte auch den Stoffwechsel der ersten Zellen angetrieben haben.


Publication:

Proton gradients and pH oscillations emerge from heat flows at the nanoscale. Keil LMR, Möller FM, Kieß M, Kudella PW, Mast CB. Nat Commun, 2017 Dec 1; Öffnet externen Link in neuem Fensterdoi: 10.1038/s41467-017-02065-3


Kontakt:

Dr. Christof Mast
Systemische Biophysik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Amalienstr. 54
80799 München

Tel: +49 (89) 2180 – 1484

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailchristof.mast(at)physik.uni-muenchen.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.biosystems.physik.lmu.de/people/index.html

PRESSE-KONTAKT

Über NIM:

Dr. Peter Sonntag
Geschäftsführer

Tel.: +49 (89) 2180 6794

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailpeter.sonntag(at)lmu.de 

 

Über Wissenschaft:

Dr. Isabella Almstätter
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Tel: +49 (89) 2180 5091

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailisabella.almstaetter(at)physik.uni-muenchen.de

 

 

drucken nach oben