Biologie: Blick in die Ursuppe

Milton T. Stubbs im Labor an der Universität Halle. (FOTO: ANDREAS STEDTLER) 

Es war, als ob die Forscher mit einem Fernrohr einen Blick in die tiefste Vergangenheit werfen konnten. Mehr als drei Milliarden Jahre zurück in die Zeit, in der auf der Erde die ersten Lebewesen entstanden. Dieser Blick in die Ursuppe ist kürzlich Milton T. Stubbs und den Kollegen seiner Arbeitsgruppe gelungen. Der Professor und Leiter der Arbeitsgruppe Physikalische Biotechnologie an der Universität Halle hat ein Enzym erforscht, das in Bakterien an der Biosynthese eines Antibiotikums entscheidend beteiligt ist. "Dabei haben wir durch Zufall zusätzlich die Funktion eines Enzyms aufgeklärt, das Transfer-RNA modifiziert", sagt Stubbs.Transfer-RNA, kurz t-RNA genannt, gehört zur Grundausstattung jedes Lebewesens, denn sie wird gebraucht, um Gen-Informationen in Proteine, also Eiweiße, zu übersetzen. "Die Reaktion, die wir beobachtet haben, ist sehr urtümlich, sie muss schon in den ersten Lebewesen vorhanden gewesen sein", sagt Stubbs. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Angewandte Chemie International Edition" als sogenannte Very Important Paper - VIP - veröffentlicht. Für Wissenschaftler durchaus ein Grund zu feiern, sagt Stubbs: "Die International Edition der Zeitschrift hat weltweit eine hohe Aufmerksamkeit, es ist ziemlich schwer, dort angenommen zu werden", sagt der Biochemiker.

Hauptthema des Artikels ist indes nicht die Ursprünglichkeit der untersuchten Reaktion. Stubbs war vor allem daran interessiert, die Funktion eines Enzyms mit dem Namen TobZ aufzuklären. Dieses verändert das Antibiotikum eines Erdbakteriums. In der Medizin wird dieses Antibiotikum - Tobramycin - zum Beispiel gegen Augenentzündungen eingesetzt.

"Wahrscheinlich stellt das Bakterium das Antibiotikum zur Abwehr anderer Bakterien her. Produziert es verschiedene Varianten, kann es sich damit auch gegen Bakterien wehren, die gegen eine Variante des Antibiotikums resistent sind", sagt Stubbs. Wenn aufgeklärt ist, wie solche Enzyme arbeiten, dann könnte dieses Wissen künftig als Grundlage zur Entwicklung neuer Antibiotika genutzt werden. "Um zu untersuchen, wie das Enzym funktioniert, haben wir seine dreidimensionale Struktur aufgeklärt", sagt Stubbs.

Als sie den Arbeitsschritt des Enzyms bei der Antibiotikamodifikation untersuchten, stellten die Forscher dann überrascht fest, dass das Enzym TobZ dabei Adenosintriphosphat, ATP, eine Art Kraftstoff in biochemischen Reaktionen, verwendet. "Die Verbindung, die TobZ in seinen Arbeitsschritten verwendet, sind eigentlich schon energiereich. Ein Rätsel war, warum zusätzlich ATP nötig ist", erklärt Stubbs.

Des Rätsels Lösung: Das Enzym bewerkstelligt zwei Arbeitsschritte. Diese laufen an zwei verschiedenen Stellen des Enzymmoleküls ab, sozusagen in zwei Reaktionskammern. "Der Biokraftstoff ATP wird im Enzym dazu verwendet, das Zwischenprodukt von der einen Reaktionskammer zur anderen zu transportieren. Es schützt es während des Transports vor chemischen Nebenreaktionen", sagt Stubbs.

Die Entdeckung der zwei Reaktionszentren im Molekül brachte die Forscher dann auch auf die Spur der Ursprünglichkeit der Konstruktion in den Bakterien. Denn die Reaktionszentren, in TobZ in ein und demselben Molekül zu finden, gibt es auch einzeln, in zwei Moleküle aufgeteilt.

In dieser Anordnung haben sie allerdings eine andere Funktion: Sie modifizieren nicht ein Antibiotikum, sondern sie helfen dabei, t-RNA zu modifizieren. Weil diese Aufgabe in Zellen so grundlegend ist, müssen TobZ-ähnliche Enzyme bereits früh in der Evolution entstanden sein, folgert Stubbs. "TobZ ist eine Art molekulares Fossil, das uns zeigt, dass 'Energie-Effizienz' in der Anfangszeit des Lebens auf der Erde wohl eine untergeordnete Rolle spielte."