Alle heutigen Lebensformen wandeln Energie aus der Umwelt in ein besonderes Molekül namens Adenosintriphosphat (kurz ATP) um. Es ist die universelle Quelle chemischer Energie, die die Zellen nutzen können, um Stoffwechselreaktionen voranzutreiben. Und der ATP-Bedarf ist hoch, nur zwei Beispiele: Während ein Mensch täglich eine ATP-Menge produziert und verbraucht, die seinem Körpergewicht entspricht, benötigt das Bakterium Escherichia coli bei jeder Zellteilung das Zehnfache seines Körpergewichts an ATP.
Aber woher kommt all dieses ATP? Heute wird das Molekül von speziellen Enzymen – molekularen Maschinen, die aus Proteinen bestehen – erzeugt, den sogenannten ATP-Synthasen. Sie speichern Energie, indem sie aus dem Vorläufermolekül Adenosindiphosphat (ADP) sowie Phosphat das ATP bilden. Diese Enzyme sind bei allen Lebewesen vorhanden, ihr genetischer Bauplan steckt in der Erbsubstanz jeder Zelle. Aber was kam vorher? Woher kam die Energie, um die ersten ATP Synthasen zu bilden?
Prof. Dr. William Martin, Leiter des Instituts für Molekulare Evolution an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und Korrespondenzautor der Studie: „ATP-Synthasen sind komplexe und evolutionär hochentwickelte Moleküle. Als das Leben entstand, gab es diese Enzyme noch nicht und sie können deshalb nicht zur Energiespeicherung zur Verfügung gestanden haben. Darüber hinaus ist Phosphat in Wasser kaum löslich und benötigt spezielle chemische Bedingungen, um zu reagieren. Daher suchten wir nach präbiotischen Quellen für Phosphat und chemische Energie am Ursprung des Lebens.“
Manon Schlikker, Doktorandin in Prof. Martins Arbeitsgruppe, hat nun mit ihren Kollegen eine überraschende neue Quelle chemischer Energie zu diesem frühen Zeitpunkt entdeckt, wie sie nun im FEBS Journal berichten: Durch Metallkatalysatoren aktiviertes Phosphit – eine vergleichsweise seltene Form des Phosphors –, welches aber in hydrothermalen Quellen natürlich vorkommt.
Hydrothermale Quellen existierten schon, seit Wasser erstmals auf der Erde auftrat. An ihnen entstand – so die Düsseldorfer Forschenden um Prof. Martin – vor etwa vier Milliarden Jahren das Leben. „Viele Mikroben, die hydrothermale Quellen besiedeln, können Phosphit für ihr Wachstum in Phosphat umwandeln“, sagt Schlikker, Erstautorin der Studie. „Darüber hinaus nehmen einige Bakterien Phosphit auf, indem sie Adenosinmonophosphat (AMP) zu ADP umwandeln. Dabei speichern sie mit Hilfe eines Enzyms namens AdpA die Energie der Umgebung in Form von hochenergetischen Phosphatbindungen.“
Das HHU-Forschungsteam suchte nach Möglichkeiten, wie dies auch ohne ein Enzym in der frühen Evolution stattgefunden haben kann. Sie fragten: Gibt es anorganische Vorläufer – also Umweltbedingungen in den hydrothermalen Quellen –, die die Funktion des Enzyms übernehmen?
„Seit zehn Jahren untersuchen wir die Fähigkeit von Metallen wie Nickel, Eisen und Kobalt, die natürlicherweise in hydrothermalen Quellen vorkommen, als Katalysatoren zu wirken und die so enzymatische Funktionen ersetzen können“, sagt Prof. Martin. „Dazu müssen die Metalle aber in ihrem reinen, elementaren Zustand vorliegen, also nicht als Salze oder Verbindungen im Gesteinen. Wasserstoff (H2)-produzierende hydrothermale Quellen lagern genau solche reinen Metalle ab.“
An der HHU wurden entsprechende Metalle auf ihre Fähigkeit getestet, aus AMP und Phosphit ADP zu erzeugen. Die Forschenden stellten fest, dass elementares Palladium nicht nur eine starke Phosphit-Umwandlungsaktivität aufweist, sondern auch die Umwandlung von AMP zu ADP mit Phosphit katalysiert und dabei das AdpA-Enzym ersetzt. „Das war ein spannendes Ergebnis, denn in der Literatur gab es keinen Hinweis zur anaeroben Phosphitoxidation mit Palladium“, so Schlikker.
Am häufigsten tritt Palladium in den speziellen Hydrothermalquellen als Legierung mit Nickel und Eisen auf. Um zu prüfen, ob auch diese Form aktiv ist, synthetisierte der Kooperationspartner PD Dr. Harun Tüysüz die Palladium-Eisen-Nickel-Legierung im Labor. „Auch sie katalysiert die Phosphorylierungsreaktion“, so Tüysüz, der mit seinem Team am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung und der IMDEA Foundation in Madrid arbeitet.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse untersuchten Schlikker und Kollegen, welche Reaktionen das Phosphit-Palladium-System noch in Phosphatverbindungen umwandeln kann, die darüber hinaus für die Entwicklung des frühen Lebens wichtig waren. Dazu gehören viele biologisch relevante Substrate. Besonders interessant ist die Reaktion von Acetat zu Acetylphosphat, denn diese Verbindung galt lange Zeit als die zentrale biochemische Energiequelle.
Martin: „Wir haben einen neuartigen und geochemisch kontinuierlichen Weg einer präbiotischen Phosphorylierung in Wasser unter Verwendung eines Substrats (Phosphit) und eines Katalysators (Palladium) gefunden, die natürlicherweise in H2-produzierenden hydrothermalen Quellen vorkommen.“ Tüysüz fügt hinzu: „Diese geochemische Phosphorylierungsreaktion ist viel einfacher als der enzymatische Weg, sie findet in Wasser statt und der Katalysator setzt vielerlei Substrate um. Diese Reaktion besitzt alle also Eigenschaften, die von einem am Ursprung des Lebens stehenden Prozess erwartet wird.“
Die Energie für die Reaktionen stammt aus dem Phosphit selbst. „Phosphit ist eine sehr energiereiche, aber auch sehr stabile Verbindung“, sagt Martin: „Wenn es zu Phosphat reagiert, setzt es mehr Energie frei als ATP, benötigt dafür aber einen guten Katalysator. Palladium ist der wirksamste Katalysator für die Phosphitaktivierung, den wir bisher gefunden haben.“
Martin abschließend: „Ist das hydrothermale Duo aus Phosphit und Palladium die seit langem gesuchte Quelle der Phosphorylierung am Ursprung des Lebens? Tatsache ist, dass Phosphit und winzige, katalytische Mengen Palladium einen natürlichen geochemischen Vorläufer von ATP darstellen. Diese neu erkannte Quelle chemischer Energie kann die chemischen Reaktionen des Lebens in Gang setzen haben.“
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Originalpublikation:
Manon L. Schlikker, Nadja K. Hoffmann, Sabine Metzger, Jorge Moral-Pombo, Harun Tüysüz, William F. Martin. Hydrothermal origin of metabolic phosphorylation. FEBS Journal (2026), DOI: 10.1111/febs.70737, https://doi.org/10.1111/febs.70737
