Die chemischen Grundlagen der Evolution: Ein uraltes Netzwerk steuert das Leben
Die Entdeckung des chemischen Netzwerks
Ein internationales Forscherteam um Markus Ralser von der Charité-Universitätsmedizin Berlin hat herausgefunden, dass ein unsichtbares Netzwerk chemischer Reaktionen die Evolution von Lebewesen steuert. Diese Erkenntnis basiert auf der Untersuchung von über 11.000 Proteinstrukturen von 26 Hefearten, deren gemeinsamer Stammbaum 400 Millionen Jahre zurückreicht. Die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature, zeigt, dass die Position eines Proteins innerhalb dieses Netzwerks entscheidend für seine evolutionäre Veränderung ist.
Die Stabilität zentraler Enzyme
Enzyme, die im Zentrum des Zellstoffwechsels stehen und solche, die Metalle binden, sind evolutionär am stärksten eingeschränkt. Diese Enzyme verändern sich kaum über die Zeit. Im Gegensatz dazu evolvieren Enzyme für weniger essenzielle oder spezialisierte Funktionen schneller. Dennoch bleiben auch diese Enzyme an chemisch ähnliche Reaktionen gebunden. Diese Ergebnisse demonstrieren, wie stark die Chemie der Zelle die Evolution ihrer Proteine bestimmt.
Die Rolle der künstlichen Intelligenz
Die Arbeitsgruppe um Ralser nutzte die künstliche Intelligenz Alphafold2, um die dreidimensionalen Strukturen der Proteine aus unzähligen Gensequenzen zu ermitteln. Diese Methode ermöglichte es, evolutionäre Muster innerhalb des verzweigten Stammbaums der Hefen zu identifizieren. Besonders wichtig für die Funktion eines Enzyms ist der Teil, der Moleküle bindet und umwandelt. Andere Abschnitte sind für die Faltung des Proteins oder die Bindung an andere Proteine verantwortlich.
Kosten und Konservatismus der Proteine
Die Studie zeigte, dass die Oberflächen und strukturellen Teile der Proteine am stärksten evolvieren. Diese Bereiche sind weniger spezifisch, sodass sich einzelne Bausteine leichter austauschen lassen. Ein wichtiger Faktor sind die Kosten: Die für die Zelle billigsten Aminosäuren – Glycin, Glutamat und Alanin – sind besonders an den Oberflächen der Proteine angereichert. Dagegen spielen Kosten im aktiven Zentrum, wo die entscheidende Reaktion abläuft, keine Rolle. Die aktiven Zentren erwiesen sich als bemerkenswert stabil.
Evolution und das chemische Erbe
Die Stabilität der Proteine über 400 Millionen Jahre Evolutionsgeschichte gibt Einblicke in die Natur der Evolution selbst. Der Zellstoffwechsel besteht aus Ketten chemischer Reaktionen, die durch Enzyme durchgeführt werden. Diese Reaktionspfade sind auf komplexe Weise miteinander verflochten. Die Ergebnisse der Studie stützen die Hypothese, dass das chemische Netzwerk des Lebens ein gemeinsames Erbe aus grauer Vorzeit ist. Die Evolution baut lediglich neue Komponenten an dieses uralte Netzwerk an.
