Die Entstehung von Biomolekülen beschleunigt die Entstehung weiterer Biomoleküle – auch unter Weltraumbedingungen

Laborexperimente eines internationalen Forschungsprojekts um Serge A. Krasnokutski (Universität Jena), Ko-Ju Chuang (Universität Leiden) und Pauline Poinot (Universität Poitiers) belegen, dass die Reaktionsprodukte präbiotischer Peptidbildungen unter interstellaren Umweltbedingungen als Katalysatoren für längere und chemisch diversere Molekülketten fungieren. Die Studie baut auf früheren Nachweisen auf, dass grundlegende Biomoleküle bei extrem tiefen Temperaturen auf kosmischen Staubpartikeln aus simplen Ausgangsstoffen polymerisieren können.

„Die entscheidende Frage ist also nicht mehr, ob Peptide im Weltraum entstehen können“, sagt Krasnokutski. „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.“

Kryogene UHV-Experimente und Isotopen-Tracing

Im experimentellen Setup wurden unter Ultrahochvakuum (UHV) Kohlenstoffatome, Kohlenmonoxid und Ammoniak auf eine Kryo-Oberfläche bei -263 °C deponiert – analog zu den thermodynamischen Konditionen sternbildender Molekülwolken. „Aus diesen Ausgangsstoffen entsteht zunächst sogenanntes Aminoketen, eine sehr reaktive Verbindung, aus der die Peptidketten entstehen, die wir bereits nachgewiesen hatten“, erklärt der Physiker. Nach der Synthese und der Evakuierung aller flüchtigen Komponenten wurde der Prozess auf dem verbleibenden organischen Rückstand wiederholt.

„Damit wir unterscheiden konnten, welche Substanz auf der Oberfläche aus dem ersten und welche aus dem zweiten Experiment stammte, haben wir in der zweiten Reaktion den Kohlenstoff mit stabilen Isotopen markiert“, erklärt Krasnokutski. Die Analytik zeigte, dass der makromolekulare Primärrückstand nicht lediglich als Edukt verbraucht wurde, sondern die Polymerisation neuer Spezies katalytisch förderte. „Welche konkreten Bestandteile dieses komplexen Rückstands dafür verantwortlich sind, ist allerdings noch nicht geklärt“, schränkt Krasnokutski ein. „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.“

Kinetische Effekte durch atomaren Wasserstoff

Eine unerwartete Reaktionsdynamik zeigte sich bei der zusätzlichen Einleitung von atomarem Wasserstoff in das System. „Atomarer Wasserstoff kommt im interstellaren Medium am häufigsten vor und gehört deshalb zu einer realistischeren Nachbildung der Chemie auf kalten kosmischen Staubteilchen,“ erklärt der Physiker.

Ursprünglich wurde von einer Inhibition der Polymerisation ausgegangen. „Atomarer Wasserstoff ist hochreaktiv. Wir wären daher davon ausgegangen, dass er die Zwischenprodukte abreagieren lässt, noch bevor sie zu den Peptiden weiterreagieren könnten“, führt er aus. Tatsächlich induzierte der Wasserstoff jedoch einen gegenteiligen Effekt: „Der Wasserstoff hat die Reaktion nicht gebremst, sondern die Bildung längerer Ketten sogar deutlich begünstigt“, sagt Krasnokutski. „Und dabei entstanden zusätzliche chemische Varianten.“

Implikationen für die extraterrestrische präbiotische Chemie

„Die Experimente sprechen dafür, dass bereits aus wenigen einfachen und kosmisch häufigen Ausgangsstoffen eine vergleichsweise vielfältige Peptidchemie entstehen kann“, fasst der Jenaer Wissenschaftler die Arbeit zusammen. Er ergänzt: „Und zwar schon unter Bedingungen, wie sie bei der frühen Entwicklung von Stern- und Planetensystemen vorkommen.“

Ob biologisches Leben de facto direkt im interstellaren Raum seinen Ursprung nahm, lässt sich aus der aktuellen Datenlage noch nicht ableiten. „Das können unsere Ergebnisse nicht beantworten“, schränkt Krasnokutski ein. „Wir haben nun jedoch eine bessere Vorstellung davon, welche komplexen Biomoleküle sich auf Staubpartikeln im Weltraum bilden können“, ergänzt er. Dies werfe grundlegende Fragen zur strukturellen Komplexität astrosynthetischer Prozesse auf. „Aus Staubpartikeln entstandene Asteroiden und Kometen enthalten flüssiges Wasser, das weitere chemische Reaktionen vorantreiben kann“, erläutert er. „Ein äußerst interessanter Forschungsansatz wird daher darin bestehen, zu untersuchen, wie weit solche chemischen Prozesse im Weltraum in Richtung der Entstehung des Lebens fortschreiten können. Zudem wird es sehr spannend sein, in extraterrestrischen Proben (Meteoriten, Asteroiden) gezielt nach diesen Biomolekülen zu suchen, da wir nun wissen, worauf wir suchen müssen.“

Quelle

Friedrich-Schiller-Universität Jena (08/2026)