Der Ursprung der Proteine: Schöpfung, Zufall oder Notwendigkeit?

Die Wichtigkeit der Proteine für jegliche Art von Leben

Zellen sind die grundlegenden Bausteine, die Leben ermöglichen. Hierzu unterstützen sie viele biologische Funktionen und Prozesse. Die Basis dafür bilden komplexe Moleküle, genannt Proteine. Das sind lange Ketten aus Aminosäuren, die in eine stabile dreidimensionale Form gefaltet sind. Ein Beispiel ist in Abbildung 1 dargestellt. Die dreidimensionale Form bestimmt, über welche Funktion ein Protein verfügt.

Die Baupläne aller Proteine sind in den Zellkernen in Form von DNA gespeichert. Durch diese genetische Information wird die Reihenfolge der eingebauten Proteinbausteine, den Aminosäuren, bestimmt. Insgesamt müssen 20 unterschiedliche Typen von Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge kombiniert werden, um funktionierende Proteine zu bilden.¹ Die Anzahl an Kombinationen, in denen die 20 Aminosäuren zu einem Protein kombiniert werden können, steigt exponentiell mit der Länge des Proteins. Für ein typisches Protein mit einer Länge von 200 Aminosäuren gibt es 20²⁰⁰ oder über 10²⁶⁰ unterschiedliche Kombinationen. Dies ist eine unvorstellbar grosse Zahl, die sogar die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum übersteigt. Wenn es so viele mögliche Sequenzen gibt, wie viele davon führen zu funktionsfähigen Proteinen? Und wie kamen die spezifischen Sequenzen von Proteinen, die in der Natur gefunden werden, zustande?

Wie viele Proteinsequenzen lassen sich zu einer spezifischen Struktur falten?

Der Anteil der funktionsfähigen Proteinsequenzen kann auf unterschiedliche Arten abgeschätzt werden. Ein Ansatz beinhaltet die Schätzung der Sequenzkapazität, also der Anzahl Sequenzen für eine bestimmte dreidimensionale Faltung. Es ist bekannt, dass sich nur ein Bruchteil aller Sequenzen in eine stabile dreidimensionale Struktur falten lässt. Da Proteine in Lebewesen aber nur in einem gefalteten Zustand funktionieren, gibt uns die Sequenzkapazität eine obere Grenze für die Anzahl biologisch aktiver Proteinsequenzen für eine bestimmte Faltung an.

Kürzlich wurde in einer Studie die Sequenzkapazität zehn häufiger Faltungen geschätzt.² Für jede Faltung konstruierten amerikanische Wissenschaftler ein Modell, das ihnen erlaubte, die Anzahl Sequenzen, die zu einer stabilen Konfiguration führen, zu schätzen. Diese Studie basiert im Gegensatz zu früheren Studien auf einer höheren Anzahl bekannter Aminosäuresequenzen. Die Resultate (siehe Tab. 1) für die zehn ausgewählten Faltungen zeigen, dass der Anteil von Proteinen mit einer stabilen Struktur extrem gering ist und wie erwartet mit zunehmender Proteinlänge abnimmt.

Zufall kann die Herkunft der Proteine nicht erklären

Die Seltenheit funktionaler Proteine ist von grosser Relevanz für die Frage, ob Leben auf rein natürliche Weise entstanden ist. Während die meisten Wissenschaftler glauben, dass die erste Zelle aus einer Reihe von chemischen Reaktionen hervorgegangen ist, bestehen Vertreter des Intelligent Design darauf, dass die uns bekannten natürlichen Gesetze nicht ausreichen, um deren Entstehung zu erklären. Letztere schätzen die Erklärung, dass ein intelligenter Verstand bei der Entstehung des Lebens involviert war, als plausibler ein. Es ist unklar, wie unter präbiotischen Bedingungen genügend lange Proteine oder DNA-Moleküle aus deren Bausteinen hätten geformt werden können.³ Aber sogar mit den benötigten Bausteinen und chemischen Reaktionen ist es nahezu ausgeschlossen, dass aus zufälligen Prozessen funktionale Proteine hervorgehen. Die Resultate im vorherigen Abschnitt zeigen, dass funktionale Proteinsequenzen sehr selten sind und dass ein reiner Glückstreffer im zur Verfügung stehenden Zeitraum nicht zu erwarten ist.

Dass eine zufällige Aneinanderreihung der Aminosäuren die Entstehung von Proteinen nicht erklärt, wird klar, wenn die für das Leben minimal benötigen Proteine betrachtet werden. Das Genom der einfachsten, unabhängig lebensfähigen Organismen enthält die Baupläne für mehr als zweitausend unterschiedliche Proteine. Experimente haben zudem gezeigt, dass lebende Zellen mindestens einige Hundert Proteine benötigen.⁴ Des Weiteren müssen die Proteine über eine minimale Länge verfügen, damit sie sich zu einer stabilen Struktur falten. Die Wahrscheinlichkeit, dass man 200 stabil gefaltete und funktionsfähige Proteine einer solchen Länge erhält, liegt basierend auf den diskutierten Resultaten bei etwa 10^-10000. Die Tatsache, dass es nicht nur eine, sondern über tausend Arten von Faltungen gibt, erhöht die Wahrscheinlichkeit nicht signifikant. Aus diesen Gründen glauben selbst naturalistische Wissenschaftler nicht, dass die Proteine der ersten Zelle durch Zufall entstanden sind.

Das Argument für einen intelligenten Designer

Wenn Proteine nicht durch Zufall entstehen, wie dann? Prinzipiell gibt es nur wenige Möglichkeiten: durch Notwendigkeit, durch eine Kombination aus Zufall und Notwendigkeit oder durch Design. Einige Personen vertreten die Ansicht, dass Leben irgendwie in die Naturgesetze eingeschrieben ist. Nicht in Form konventioneller physikalischer oder chemischer Gesetze, sondern durch eine zusätzliche Tendenz zum Leben hin. Als Folge davon sei die Entstehung von Leben im Universum unvermeidlich.⁵ Allerdings gibt es keine experimentellen Belege für eine solche Behauptung.

Etwas populärer ist die Ansicht, dass chemische Selektion die Entstehung von Proteinen gelenkt hat. Allerdings kann eine darwinistische Form der chemischen Selektion nur herangezogen werden, nachdem ein selbst-replizierendes System bereits existiert. Für die Entstehung der ersten Zelle dieser Art funktioniert ein solcher Mechanismus nicht. Chemische Selektionsmechanismen werden diskutiert, aber es konnte nicht gezeigt werden, warum die ausgewählten Bestandteile genau diejenigen sein sollten, die für funktionierende Proteine benötigt werden.⁶ Falls ein entsprechender Selektionsprozess entdeckt würde, wäre dieser sicherlich ein gutes Beispiel von Feinabstimmung.

Eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Entstehung, zum Beispiel durch ein kleineres Genom oder ein kleineres Aminosäuren-Alphabet, ist ebenfalls spekulativ. Dies sind zugegebenermassen offene Forschungsfragen, die durch zukünftige Entdeckungen anders bewertet werden könnten. Angesichts der bekannten Fakten ist momentan lediglich die beabsichtigte Erschaffung durch einen intelligenten Designer plausibel. Das Fehlen einer plausiblen natürlichen Erklärung zusammen mit den starken Hinweisen für intelligentes Design (siehe zum Beispiel The Cell’s Design by F. Rana⁷) bilden deshalb ein starkes Argument für einen übernatürlichen Ursprung der Zellen und deren Proteine.

Fussnoten

1. Fazale Rana, The Cell’s Design (Reasons to Believe): How Chemistry Reveals the Creator’s Artistry (Baker Books, 2008), Kapitel 2. ↩︎
2. Pengfei Tian and Robert B. Best, “How Many Protein Sequences Fold to a Given Structure? A Coevolutionary Analysis,” Biophysical Journal 113, no. 8 (October 17, 2017): 1719–30, https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.08.039. ↩︎
3. Fazale Rana, Creating Life in the Lab: How New Discoveries in Synthetic Biology Make a Case for the Creator (Baker Books, 2011), Kapitel 11. ↩︎
4. Fazale Rana and Hugh Ross, Origins of Life: Biblical and Evolutionary Models Face Off (NavPress, 2004), Kapitel 12. ↩︎
5. Paul Davies, The FIFTH MIRACLE: The Search for the Origin and Meaning of Life (Simon & Schuster, 2000), Kapitel 10. ↩︎
6. Katarzyna Adamala et al., “Open Questions in Origin of Life: Experimental Studies on the Origin of Nucleic Acids and Proteins with Specific and Functional Sequences by a Chemical Synthetic Biology Approach,” Computational and Structural Biotechnology Journal 9 (February 23, 2014), https://doi.org/10.5936/csbj.201402004. ↩︎
7. Fazale Rana, The Cell’s Design (Reasons to Believe): How Chemistry Reveals the Creator’s Artistry. ↩︎