Nahaufnahme der Betonabdeckung der metallischen Vakuumröhren von LIGO, in denen ein Lasersignal hin und zurück reflektiert wird. Bild: Raúl Rojas
Mit der Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 ist eine neue Art der Astronomie entstanden, die es uns vielleicht erlauben wird, hinter den Schleier der kosmischen Hintergrundstrahlung zu blicken.
Einige der größten astronomischen Observatorien der Welt fangen heute nicht Licht bzw. Radiosignale aus dem All ein, sondern Gravitationswellen. Zwei davon sind die LIGO-Zwillinge (Laser-Interferometer Gravitational-Wave Observatory), die jeweils in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana installiert wurden. Beide Instrumente arbeiten als Team. Jedes Observatorium benutzt zwei 4 km lange orthogonale Rohre – die Observatorien sind aber 3000 km voneinander getrennt.
Mittlerweile nahm in Italien das Observatorium Advanced Virgo im August 2017 den Betrieb auf. Damit kann man die Messungen an drei unterschiedlichen Orten der Welt vornehmen und abgleichen, um das Rauschen von den Signalen besser trennen zu können. Abb. 1 und Abb. 2 zeigen das Observatorium in Washington State, das ich vor kurzem besucht habe. Dort wurde 2015 eine Gravitationswelle detektiert, die durch die Kollision von zwei Schwarzen Löchern vor 1,3 Milliarden Jahren erzeugt wurde.
In a new book that was published posthumously, Stephen Hawking, who died in March, wrote that it is impossible for God to exist in our universe. Credit: Frederick M. Brown/Getty Images
From his desk at Cambridge University and beyond, Stephen Hawking sent his mind spiraling into the deepest depths of black holes, radiating across the endless cosmos and swirling back billions of years to witness time’s first breath.
He viewed creation as a scientist, and when he was called to discuss creation’s biggest puzzles — Where do we come from? What is our purpose? Are we alone? — he answered as a scientist, often to the chagrin of religious critics.
Hawking’s answer — compiled from decades of prior interviews, essays and speeches with the help of his family, colleagues and the Steven Hawking Estate — should come as no surprise to readers who have followed his work, er, religiously.
„I think the universe was spontaneously created out of nothing, according to the laws of science,“ Hawking, who died in March, wrote. „If you accept, as I do, that the laws of nature are fixed, then it doesn’t take long to ask: What role is there for God?“
Auf jeder Hautzelle sitzen mehrere Duftrezeptoren. Riechen kann man damit aber nicht. (Bild: Simon Tanner, NZZ)
Geruchsrezeptoren kommen auf nahezu allen Organzellen vor. Sie regulieren wichtige Stoffwechselprozesse. Womöglich lässt sich das Wissen auch für die Diagnose von Krankheiten und für Therapien nutzen.
Sandalore kennt man in der Parfum- und Kosmetikindustrie seit den 1970er Jahren. Es ist ein synthetischer Duft, der nach Sandelholz riecht. Nun bewirbt eine italienische Firma eine Serie von Haarpflegeprodukten mit Sandalore als Haarwuchsmittel. Was auf den ersten Blick wie eines der üblichen haltlosen Versprechen der Werbung klingt, hat einen echten medizinischen Hintergrund, wie kürzlich in einer Fachpublikation gezeigt wurde.
Demgemäss besitzen spezielle Zellen der Haarwurzel Duftrezeptoren auf ihrer Oberfläche, an welche das Sandalore andockt. Dadurch wurde in Zellkulturexperimenten die Wachstumsphase dieser Zellen verlängert. Die Autoren vermuten, dass sich auch die Lebenszeit des Haares verlängert und somit Haarausfall vermindern lässt.
Kosmischer Titan: Astronomen haben den größten und massereichsten Proto-Superhaufen des frühen Kosmos entdeckt. Die gigantische Ansammlung von Galaxien existierte schon 2,3 Milliarden Jahre nach dem Urknall und umfasst Billiarden Sonnenmassen. Angesichts der geringen Entwicklungszeit, die dieser Proto-Supercluster hatte, ist er damit erstaunlich groß, wie die Forscher berichten. Von ihm erhoffen sie sich daher Einblicke in die primordiale Galaxien-Entwicklung.
Die Materie ist im Universum nicht gleichmäßig verteilt, sondern bildet großräumige Strukturen – Galaxiencluster, Filamente und auch sogenannte Supercluster. Letztere sind gewaltige Strukturen, in denen sich zehntausende von Galaxien gemeinsam bewegen. Auch unsere Milchstraße gehört zu einem solchen Superhaufen, dem rund 520 Millionen Lichtjahre großen Laniakea.
Last spring, researchers discovered high abundances of three elements in a group of red giants (dying stars in the last stage of their evolution) less than 3 light-years away from the black hole at the center of our galaxy, the Milky Way. The high levels of these elements — scandium, vanadium and yttrium — puzzled astronomers, who tried to explain the phenomenon with various theories. One theory suggested that the abnormally high levels of the elements resulted from the descent of old stars into the black hole, while another posited that the elements were debris from the collision of neutron stars, according to a statement.
The latest of such explanations was recently proposed by an international group of astronomers and atomic physicists. They argue that those elements didn’t actually exist at the high concentrations observed. Rather, the elements were probably an illusion all along, the researchers reported in a new study published yesterday (Oct. 10) in the Astrophysical Journal.
Scientists originally detected these elements by recording „spectral lines“ with a spectrometer. With this method, scientists look at the amount of light an object absorbs or emits. Because different elements will emit or absorb light in a slightly different way (called their spectral lines), scientists can use the information to figure out what an object is made of. Scandium will interact with light differently than, say, vanadium would, for example. [Our Milky Way Galaxy: A Traveler’s Guide (Infographic)]
A paper published in June suggested infinite expansion was impossible according to a major physics theory — a conjecture that made huge waves in the physics community.
„People get very, kind of, emotional about it because if it’s true and [is] discovered, it would be spectacular,“ said Timm Wrase, a physicist at the Vienna University of Technology.
Now, Wrase and his colleagues have published a separate study that pokes a huge hole in that argument, which means an ever-expanding universe can’t be ruled out just yet.
Hausmäuse, die ein bestimmtes egoistisches Supergen in sich tragen, wechseln deutlich häufiger die Population als ihre Artgenossen. Dieses Ergebnis einer Studie der Universität Zürich zeigt somit erstmals, dass ein solches Gen das Migrationsverhalten von Tieren beeinflusst. Das Resultat könnte dabei helfen, invasive Mäuseplagen in den Griff zu bekommen.
Normalerweise sorgt die Kooperation von Genen dafür, dass ein Organismus wachsen und gedeihen kann. Doch es gibt auch Gene, die ein anderes Ziel verfolgen: Sie wollen sich selbst weiterverbreiten und verdrängen hierfür andere Gene. Ein solches egoistisches Supergen ist der sogenannte t-Haplotyp – ein Komplex aus mehreren gemeinsam vererbten Genen, der natürlicherweise in Hausmäusen vorkommt. «Dieses Supergen verschafft sich gegenüber anderen Genen einen unfairen Vorteil bei der Vererbung», erklärt Jan-Niklas Runge, Erstautor der Studie und Doktorand der Evolutionsbiologie an der Universität Zürich. Eigentlich hat jedes Gen eine 50-Prozent-Chance an einen Nachkommen übertragen zu werden. Doch Spermien, die das Supergen tragen, vergiften konkurrenzierende Spermien desselben Tieres und erhöhen ihre Befruchtungschance dadurch auf 90 Prozent. Ähnliche Mechanismen finden sich auch in anderen Organismen, etwa in Fruchtfliegen oder in Mais.
Supergen-Träger wandern aus
In einer Langzeitstudie haben die Forschenden nun untersucht, wie sich dieses Supergen auf das Migrationsverhalten von Hausmäusen auswirkt. Hierzu führten sie acht Jahre lang genau Buch über das Kommen und Gehen in vier Gruppen von wilden freilebenden Hausmäusen in einer Scheune in der Nähe von Zürich. Mit Hilfe von Genanalysen, Funksendern und regelmässigen Zählaktionen konnten sie dabei nachweisen, dass Träger des t-Haplotyps vermehrt zwischen den Gruppen wechselten oder die Scheune ganz verliessen. Die Wahrscheinlichkeit für eine solche Migration war dabei gegenüber normalen Tieren um fast 50-Prozent erhöht. Die Studie konzentrierte sich auf Jungtiere, welche bei Hausmäusen die typische Altersgruppe für Migration darstellen.
Das eigene Überleben sichern
Die Wissenschaftler glauben, dass das Supergen das Verhalten der Mäuse auf diese Weise manipuliert, um sich selbst immer weiter auszubreiten. Eine solche Migration sichert zudem wahrscheinlich auch den Erhalt des t-Haplotyps im Genpool der Hausmäuse: Nimmt das Supergen nämlich in einer Population überhand, dann kann dies dazu führen, dass es sich selbst auslöscht. So sind beispielsweise Mäuse, die zwei Kopien des Supergens (von der Mutter und vom Vater) erhalten, nicht mehr lebensfähig. Ausserdem können sich Supergen-Spermien schlecht gegen normale Spermien durchsetzen, wenn sich ein Weibchen im gleichen Ei-Zyklus mit mehreren Männchen paart. «Grosse Populationen mit viel Konkurrenz um paarungsbereite Weibchen sowie Populationen mit einem hohen Anteil an Trägern des t-Haplotyps sind also eher schlecht für das Supergen», erklärt Runge. «Die Träger des Supergens wandern deshalb wahrscheinlich aus und schliessen sich Populationen an, in denen die Chancen auf Verbreitung besser sind.» Diese Vermutung wird durch das Resultat der Studie belegt: Je grösser die Population, desto ausgeprägter war das beobachtete Migrationsverhalten. So lässt sich auch erklären, wie es das Supergen trotz aller Nachteile geschafft hat, etwa zwei Millionen Jahre lang im Erbgut der Mäuse zu überleben. Die UZH-Forschenden arbeiten nun daran, diese Hypothese mit Computersimulationen und weiteren Experimenten zu überprüfen.
Eindämmung von Invasionen
Schon jetzt planen Biologen aus anderen Forschungsgruppen den Einsatz dieses Supergens für die Kontrolle von invasiven Hausmäusen. Vermehren sich diese nämlich unkontrolliert an Orten, an denen sie nicht einheimisch sind, so kann dies das gesamte Ökosystem aus dem Gleichgewicht bringen. Deshalb wollen die Forschenden das Erbgut so manipulieren, dass die Mäuse unfruchtbar werden. Das Supergen soll dann dabei helfen, diese Modifikation möglichst schnell in der Mäusepopulation zu verbreiten. «Unsere Erkenntnisse sind dafür von grosser Bedeutung und können dazu beitragen, eine sichere und verlässliche Methode zur Bekämpfung solcher Invasionen zu entwickeln», hofft Runge.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Jan-Niklas Runge
Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften
Universität Zürich
Tel. +41 44 635 52 77
E-Mail: jan-niklas.runge@ieu.uzh.ch
The star in question is CI Tau, which lies about 500 light-years from Earth. CI Tau is just 2 million years old and is still surrounded by a swirling clump of dust and gas known as a protoplanetary disk.
The star was already known to host one planet, a world about 10 times more massive than Jupiter that circles CI Tau once every nine Earth days. This planet, called CI Tau b, was the first „hot Jupiter“ ever discovered around such a young star. [Gallery: The Strangest Alien Planets]
In the new study, a team of researchers observed CI Tau and its disk with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), a network of radio telescopes in the Chilean Andes. ALMA spotted three additional gaps in the disk, at distances of 13, 39 and 100 astronomical units (AU) from the star, the astronomers report. (One AU is the Earth-sun distance — about 93 million miles, or 150 million kilometers).
So it seems that CI Tau b has three siblings. And these newfound worlds are big, too: The team’s work suggests the innermost of the three is about as massive as Jupiter, while the outer two have Saturn-esque heft.
Astronomers had never spotted four gas-giant planets around such a young star before, study team members said. And the orbital range — the outermost planet lies about 1,000 times farther from CI Tau than the innermost world does — is extreme as well, the researchers added.
Der Weltraum-Hype bekommt durch US-Präsident Trump neue Nahrung: Er will die „US Space Force“ gründen – um sich gegen Feinde zu schützen. Doch im All tummeln sich inzwischen viele Akteure.
Als Astronaut Fred Haise für seine Reise zum Mond trainierte, gab es im Weltall nur zwei Akteure: Die USA und die UdSSR. Im Kalten Krieg, in den 1950er- und 1960er-Jahren, lieferten sich die Großmächte einen Wettlauf: Wer ist zuerst auf dem Mond?
Haise, der inzwischen 84 Jahre alt ist, erinnert sich: „Wir waren zuerst auf dem Mond, und ich war froh, dass es den Wettbewerb gab. Nur deshalb haben die Regierungen so viel Geld für die Raumfahrt ausgegeben.“ Haise ist an diesem Wochenende zu Besuch im Technikmuseum Speyer – zum zehnjährigen Jubiläum von Europas größter Raumfahrtausstellung.
foto: reuters/fred greaves Verlesung der Anklage gegen den mutmaßlichen kalifornischen Serientäter. Der Verdächtige war nach Jahrzehnten mithilfe einer Genealogie-Plattform im Internet aufgespürt worden.
In den USA sind bereits 60 Prozent aller Menschen mit europäischen Vorfahren über ihre DNA identifizierbar
Or Jehuda – Es ist der wohl prominenteste, aber keineswegs einzige Kriminalfall, der dank des wachsenden Interesses für Genealogie gelöst werden konnte: Im April verhafteten US-Behörden einen mutmaßlichen Vergewaltiger und Serienmörder, der in den 1970er- und 80er-Jahren in Kalifornien für Angst und Schrecken gesorgt hatte. Identifiziert wurde der „Golden State Killer“ mithilfe einer öffentlichen DNA-Datenbank.
Die Ermittler hatten schon in den 1990ern ein DNA-Profil des Täters erstellt, doch den Durchbruch brachte erst jetzt eine Internetplattform, bei der Interessierte Daten zu ihrer eigenen DNA hochladen können, um Verwandte zu finden oder ihre Abstammung zu erforschen. Die Datenbank, die damals fast eine Million Mitglieder zählte, spuckte tatsächlich einige genetische Profile aus, die dem des Verdächtigen ähnelten.
Explosive Geburt: Astronomen könnten erstmals beobachtet haben, wie ein Neutronenstern-Paar entsteht. Sie haben die Supernova eines Sterns entdeckt, der bereits einen Neutronenstern als Partner hat. Weil dieser dem sterbenden Stern schon vor der Supernova einen Großteil der Hülle absaugte, wurde bei der Explosion kaum noch Material ausgeschleudert, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Damit könnten sie Zeugen des entscheidenden Schritts bei der Bildung enger Neutronenstern-Paare geworden sein.
Die meisten Sterne im Kosmos sind keine „Einzelkinder“, sondern bilden Paare. Sie werden gemeinsam in Gaswolken gebildet, altern zusammen und werden schließlich beide in Supernova-Explosionen zu Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Auf diese Weise könnte einst auch das Neutronenstern-Paar entstanden sein, dessen Kollision die Astronomen im August 2017 mithilfe von Gravitationswellen beobachtetet haben.
Die Vision ist gruselig: Im Kriegsfall werden genmanipulierte Insekten auf den Äckern und Plantagen des Feindes ausgebracht, wo sie die Pflanzen nicht nur befallen, sondern in sie tödliche Gen-Fähren hineinschleusen, mit dem Effekt des kompletten Ernte-Verlusts. Der Feind verhungert. Das ist biologische Kriegsführung 2.0, die mit Mitteln des sich rasant verbreitenden Genome Editing möglich werden könnte. Genau davor haben jetzt Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön sowie der Universitäten Freiburg und Montpellier in einem Aufsatz im renommierten Wissenschaftsjournal Science gewarnt.
Anlass für den Warnruf an die Wissenschafts-Community ist ein Forschungsprogramm der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), dem Thinktank des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums, mit dem Titel „Insect Allies“ (Verbündete Insekten).
Kein Vater nötig: Chinesische Forscher haben Mäusebabys mit zwei biologischen Müttern oder mit zwei Vätern produziert – und damit eine natürliche Sperre bei Säugetieren überwunden. Statt aus Eizelle und Spermium entstanden die Mäusekinder aus einer manipulierten Stammzelle und einer Keimzelle desselben Geschlechts. Die Nachkommen zweier Mütter kamen gesund zur Welt und konnten sich später selbst erfolgreich fortpflanzen, wie die Forscher berichten. Die Mäuse mit zwei Vätern waren allerdings etwas weniger lebenstüchtig.
Bei uns Menschen und anderen Säugetieren klappt die Fortpflanzung nur mit Sex: Es wird das Erbgut von Vater und Mutter benötigt, um lebensfähigen Nachwuchs zu produzieren. Die Ursache dafür ist die genomische Prägung, auch genomic Imprinting genannt. In unserem Erbgut ist bei vielen Genen nur das väterliche oder das mütterliche Allel aktiv, das andere ist stummgeschaltet.
NASA’s Hubble Space Telescope captures a field of stellar husks. These ancient white dwarfs are 12 to 13 billion years old, only slightly younger than the universe itself. In theory, white dwarfs will eventually stop emitting light and heat and become black dwarfs. Credit: NASA and H. Richer (University of British Columbia).
The stars in the sky may seem ageless and unchanging, but eventually most of them will turn into white dwarfs, the last observable stage of evolution for low- and medium-mass stars. These dim stellar corpses dot the galaxy, leftovers of stars that once burned bright.
Main-sequence stars, including the sun, form from clouds of dust and gas drawn together by gravity. How the stars evolve through their lifetime depends on their mass. The most massive stars, with eight times the mass of the sun or more, will never become white dwarfs. Instead, at the end of their lives, they will explode in a violent supernova, leaving behind a neutron star or black hole.
Smaller stars, however, will take a slightly more sedate path. Low- to medium-mass stars, such as the sun, will eventually swell up into red giants. After that, the stars shed their outer layers into a ring known as a planetary nebula (early observers thought the nebulas resembled planets such as Neptune and Uranus). The core that is left behind will be a white dwarf, a husk of a star in which no hydrogen fusion occurs.
Smaller stars, such as red dwarfs, don’t make it to the red giant state. They simply burn through all of their hydrogen, ending the process as a dim white dwarf. However, red dwarfs take trillions of years to consume their fuel, far longer than the 13.8-billion-year-old age of the universe, so no red dwarfs have yet become white dwarfs.
Die Gießener Medizinerin Kristina Hänel hat die Berufung zur Information über Schwangerschaftsabbrüche verloren. Zweifel an der Verfassungsmäßigkeit des Gesetzes bleiben.
Das Landgericht Gießen hat das Urteil gegen die Ärztin Kristina Hänel, die auf ihrer Website über Schwangerschaftsabbrüche informiert hat, im Berufungsverfahren bestätigt. Hänel war in erster Instanz zu einer Geldstrafe in Höhe von 6.000 Euro verurteilt worden, da die Information über Schwangerschaftsabbrüche laut Strafgesetzbuch Paragraf 219a verboten ist.
Julian Nida-Rümelin und seine Frau Nathalie Weidenfeld rufen zur Zuversicht auf. Künstliche Intelligenz und Roboter seien eine Chance, keine Bedrohung.
Je weiter die Digitalisierung voranschreitet, desto unheimlicher erscheint sie vielen: die Marktmacht der Netzgiganten, die Entwicklung künstlicher Intelligenz, der Einsatz von Kampfrobotern. Bücher, die vor einer technologischen Apokalypse waren, steigen zu Bestsellern auf.
Eine Kassandra-Industrie ist entstanden. Je schriller die Warnung, desto besser fürs Geschäft. Roboter werden den Menschen die Jobs streitig machen, ihnen Selbstachtung nehmen, Unheil und Elend bringen. „Die Digitalisierung bedroht alles, was ist“, behauptet Populärphilosoph Richard David Precht.
Weder der Ursprung noch die Ursache der mysteriösen Radioblitze ist bisher bekannt. Nun haben Forscher die Zahl aufgezeichneter Fast Radio Bursts nahezu verdoppelt – und haben aufregende Neuigkeiten.
Auf der Spur rätselhafter Radioblitze aus dem Kosmos haben australische Astronomen 20 dieser bis anhin unerklärten Ereignisse beobachtet. Damit verdoppele sich die Zahl der seit der Entdeckung des Phänomens aufgezeichneten Blitze nahezu, erläuterte das Internationale Zentrum für Radioastronomie-Forschung ICRAR in Perth. Die Quelle der Blitze haben die Forscher nicht ausmachen können – sie sehen aber eine neue Möglichkeit zur Untersuchung der Materie zwischen Galaxien.
Erst seit einem Jahrzehnt bekannt
Das Phänomen der kurzen Radioblitze (Fast Radio Bursts, FRB) wurde erst 2007 entdeckt. Die Ausbrüche im Wellenlängenbereich der Radiostrahlung sind jeweils nur einige tausendstel Sekunden kurz und kommen aus allen Himmelsrichtungen. Klar ist bisher lediglich, dass sie aus den Tiefen des Weltalls stammen, jenseits unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse. Da die Blitze über extrem weite Entfernungen zu sehen sind, müssen sie von sehr energiereichen Ereignissen erzeugt werden. Experten schätzen, dass dabei auf einen Schlag so viel Energie frei wird wie unsere Sonne in etwa 80 Jahren abstrahlt.
Die Mukoviszidose ist zwar nicht heilbar, richtig behandelt kann man mit der erblichen Stoffwechselstörung heute aber einige Jahrzehnte leben. Eine Methode aus der Astrophysik soll nun die Suche nach der geeigneten Therapie erleichtern.
Mukoviszidose bzw. zystische Fibrose ist nicht sehr häufig, im Schnitt ist eine von 2.500 Personen betroffen. In Österreich werden pro Jahr 20 bis 30 Kinder mit dieser Erbkrankheit geboren. Insgesamt gibt es hierzulande derzeit zwischen 600 und 800 Patienten. Entscheidend ist, dass ein an Mukoviszidose Erkrankter von allen Behandlungen, die es heute gibt, jene bekommt, die den Fortschritt der Krankheit am wirksamsten aufhält. Um aber die Wirksamkeit verschiedener Medikamente und den Einfluss anderer Faktoren auf den Verlauf zu verstehen, braucht es verlässliche Langzeituntersuchungen, schreibt der Astrophysiker Seb Oliver von der University of Sussex auf dem Non-Profit-Medienportal The Conversation.
Auf dem Weg hinaus: Auch die NASA-Raumsonde Voyager 2 nähert sich nun der Außengrenze unseres Sonnensystems. Indizien dafür sind zunehmende Messwerte für kosmische Strahlung, die die Instrumente der gut 40 Jahre alten Sonde übermitteln. Sie deuten darauf hin, dass Voyager 2 die Heliosphäre und damit den Einflussbereich unserer Sonne bald verlassen könnte. Nach Voyager 1 wäre sie erst das zweite menschengemachte Gefährt, das den interstellaren Raum erreicht.
Sie sind die Vorposten der Menschheit: Seit gut 40 Jahre durchfliegen die beiden Voyager-Raumsonden unser Sonnensystem. Ihnen verdanken wir einzigartige Einblicke in nie zuvor erkundete Bereiche unserer kosmischen Heimat. Inzwischen jedoch nehmen beide Raumsonden Kurs auf die Unendlichkeit: Voyager 1 hat schon im Jahr 2013 unser Sonnensystem und die schützende Heliosphäre verlassen und durchfliegt nun gut 21 Milliarden Kilometer von uns entfernt den interstellaren Raum – als erstes menschengemachtes Gefährt.
Membranfreie Mikrotröpfchen (Koazervate) unter dem Mikroskop. Die grüne Fluoreszenz dient als Nachweis für die enzymatische Aktivität der eingeschlossenen RNA. Drobot und Tang / MPI-CBG
Membranfreie Mikrotröpfchen als idealer Ort für die Anreicherung und Aktivität von RNA, um Leben zu ermöglichen
Wie das Leben aus unbelebten Stoffen vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde entstand, ist eine der grundlegendsten und noch unbeantworteten wissenschaftlichen Fragen. Eine der existierenden Hypothesen, die RNA-Welt-Hypothese, geht davon aus, dass RNA-Biomoleküle zu der Zeit als das Leben begann eine Schlüsselrolle gespielt haben, da sie genetische Informationen enthalten und als Enzyme wirken. Eine Voraussetzung für die RNA-Aktivität ist jedoch, dass sich eine bestimmte Anzahl von Molekülen in unmittelbarer Nähe zueinander befindet. Die nötige RNA Anreicherung könnte in abgegrenzten Räumen (Kompartimente) stattgefunden haben. Membranfreie Mikrotröpfchen, sogenannte Koazervate, bieten ideale Bedingungen dafür, da Biomoleküle wie RNA barrierefrei aufgenommen werden können. Jedoch fehlte bislang der experimentelle Nachweis für die enzymatische Aktivität von RNA in solchen Mikrotröpfchen. Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden und des Max-Planck-Instituts für Biochemie (MPIB) in Martinsried haben erstmals gezeigt, dass einfache RNA in membranfreien Mikrotröpfchen aktiv ist und diese damit eine geeignete Umgebung für den Ursprung des Lebens sind. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Communications.
Die RNA-Welt-Hypothese geht davon aus, dass das Leben aus sich selbst reproduzierenden RNA-Molekülen entsteht, einem Biomolekül, das vor der Evolution von DNA und Proteinen existierte. Dieser Hypothese folgend, gehen die Forscher davon aus, dass auf der frühen Erde die Konzentration von RNA und ihren Bausteinen möglicherweise zu gering war, als dass eine Reaktion stattfinden könnte. Die verstreuten RNA-Moleküle mussten also einen Weg zueinander finden, um miteinander reagieren zu können und damit Leben zu erzeugen. Geeignete Orte für die Anreicherung von RNA könnten Kompartimente sein. Diese existieren entweder mit einer Membran, wie bei einer Zelle, oder ohne Membran. Membranfreie Kompartimente können durch Phasentrennung von entgegengesetzt geladenen Molekülen gebildet werden, ein Prozess, der der Trennung von Öltropfen in Wasser ähnlich ist.
In ihrer Studie zeigten die Forscher erstmals, dass RNA in membranfreien Mikrotröpfchen aktiv ist, was die bisherige Hypothese unterstützt, dass solche Koazervate eine Art Protozelle darstellen und somit ein Vorläufer der heutigen Zellen sein könnten. Die Fähigkeit von Koazervaten, RNA anzureichern, könnte auch das Verdünnungsproblem von Biomolekülen gelöst haben. Darüber hinaus ermöglichen diese membranfreien Tröpfchen den barrierefreien Austausch von RNA. Dr. Björn Drobot, der Erstautor dieser Studie, erklärt: „Eines der wirklich spannenden Ergebnisse ist, dass Koazervate wie ein kontrolliertes genetisches Transfersystem wirken, in dem kürzere RNA-Stücke zwischen Tröpfchen pendeln können, während längere RNA-Moleküle in ihren Mikrotröpfchen eingeschlossen sind. Auf diese Weise haben diese Protozellen die Fähigkeit, genetische Informationen auszutauschen, was ein wichtiges Kriterium für den Beginn des Lebens ist.“
Diese Ergebnisse zeigen, dass membranfreie Mikrotröpfchen für eine gezielte Anreicherung von RNA förderlich sind. Dr. Dora Tang, die das Projekt leitete, weist darauf hin: „In den 1920er Jahren wurde von dem russischen Wissenschaftler Oparin angenommen, dass Koazervate die ersten Kompartimente auf der Erde gewesen sein könnten und bereits existierten, bevor sich Zellen mit einer Membran herausbildeten. Sie bieten Biomolekülen die Möglichkeit, sich anzureichern und so Leben auf der Erde zu schaffen. Unsere Studie ergänzt eine Reihe von Arbeiten aus meinem und anderen Laboren, die immer mehr Belege dafür liefern, dass Koazervate potentielle Kandidaten für die Kompartimentbildung während der Entstehung des Lebens sein könnten. Zusätzlich sind Sie interessante Reaktionsräume für die moderne und synthetische Biologie.“
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dora Tang
+49 (0) 351 210 2560
tang@mpi-cbg.de
Originalpublikation:
Björn Drobot, Juan M. Iglesias-Artola, Kristian Le Vay, Viktoria Mayr, Mrityunjoy Kar, Moritz Kreysing, Hannes Mutschler & T-Y Dora Tang
Compartmentalised RNA catalysis in membrane-free coacervate protocells
Nature Communications, September 7, 2018.
