Geochemischer Vorläufer des ATP

Welche Energiequelle trieb vor rund vier Milliarden Jahren die präbiotische Chemie auf der frühen Erde an, bevor enzymatische Maschinerien existierten? Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) berichten im FEBS Journal über einen neu entdeckten Reaktionsweg: Metallkatalysiertes Phosphit – ein reduziertes Phosphorderivat, das natürlicherweise in Wasserstoff-produzierenden hydrothermalen Quellen vorkommt – liefert die nötige freie Enthalpie zur stufenweisen Phosphorylierung organischer Substrate und zur Initiierung eines primordialen Stoffwechsels.

Das Energetik-Dilemma der primordialen ATP-Synthese

In modernen Zellen dient Adenosintriphosphat (ATP) als universeller chemischer Energieträger. Der tägliche Durchsatz ist immens: Während der menschliche Organismus eine ATP-Menge in der Größenordnung des eigenen Körpergewichts umsetzt, benötigt Escherichia coli pro Zellteilungszyklus das Zehnfache seiner Eigenmasse an ATP.
Die zelluläre ATP-Generierung aus Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat wird im zeitgenössischen Stoffwechsel durch hochkomplexe, membranständige ATP-Synthasen katalysiert. Dies wirft mechanistische Fragen zur präbiotischen Phase auf:

Prof. Dr. William Martin: „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.“

Enzymfreie Phosphorylierung über metallisches Palladium

Das Team um Manon Schlikker und Prof. Martin identifizierte eine abiotische Alternative: Die Aktivierung von Phosphit durch elementare Transitionmetall-Katalysatoren in hydrothermalen Systemen. „Viele Mikroben, die hydrothermale Quellen besiedeln, können Phosphit für ihr Wachstum in Phosphat umwandeln“, sagt Schlikker. „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.“

Um nachzuweisen, dass anorganische Minerale die Funktion des AdpA-Enzyms imitieren können, fokussierte sich das Forschungsteam auf elementare Übergangsmetalle.
„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-produzierende hydrothermale Quellen lagern genau solche reinen Metalle ab.“

In Screening-Versuchen erwies sich elementares Palladium als hochaktiver Katalysator, der unter anaeroben Bedingungen die Phosphit-Oxidation mit der Phosphorylierung von AMP zu ADP koppelt. „Das war ein spannendes Ergebnis, denn in der Literatur gab es keinen Hinweis zur anaeroben Phosphitoxidation mit Palladium“, so Schlikker.

Intermetallische Legierungen und Substratbreite

In hydrothermalen Ausfällungen liegt Palladium primär als Legierung mit Eisen und Nickel vor. Kooperationspartner PD Dr. Harun Tüysüz synthetisierte entsprechende Pd-Fe-Ni-Intermetalle im Labor: „Auch sie katalysiert die Phosphorylierungsreaktion“, so Tüysüz. Das System beschränkt sich nicht auf Nukleotide, sondern phosphoryliert breitere biologische Substratklassen. Synthetisch relevant ist die Konversion von Acetat zu Acetylphosphat – einem Schlüsselintermediat der primordialen Bioenergetik.

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.“

Bioenergetische Bewertung des Phosphit-Palladium-Systems

Thermodynamisch bietet Phosphit ein hohes Gruppenübertragungspotenzial, erfordert jedoch aufgrund seiner kinetischen Inertheit geeignete Katalysatoren. „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.“

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (10/2026)