Wie hat sich Cholesterin entwickelt? In alten Gesteinen eingeschlossenes Öl verbirgt Hinweise

Uralte Lebensformen haben möglicherweise vor mehr als einer Milliarde Jahren Spuren von Ölmolekülen in Gesteinen hinterlassen, was neue Erkenntnisse über die Entwicklung von Cholesterin liefert. Die heute in Nature beschriebenen molekularen Fossilien deuten darauf hin, dass frühe Organismen, die auf Vorläufern von Cholesterin beruhten, auf der alten Erde weit verbreitet waren. Später ermöglichte der steigende Sauerstoffgehalt den Organismen die Herstellung der komplexeren Version des Moleküls, das wir heute kennen – und manchmal hassen.

Cholesterin hat wegen seiner Rolle bei Herzerkrankungen einen schlechten Ruf, aber tierische Zellen können ohne es nicht leben. Unsere Zellmembranen bestehen zu etwa 30 % aus Cholesterin; Das Molekül hält Membranen über einen Temperaturbereich flexibel und spielt eine Schlüsselrolle beim Empfang von Signalen von anderen Zellen. Cholesterin gehört zu einer Familie ähnlicher Moleküle, die Sterole genannt werden. Tierische Zellen produzieren Cholesterin in einem komplexen, 37-stufigen Prozess. Andere Eukaryoten – Organismen mit komplexen Zellen – produzieren ihre eigenen Sterole, darunter Stigmasterol in Pflanzen und Ergosterin in Pilzen.

Geochemiker und Paläontologen betrachten versteinerte Spuren dieser Sterole als Beweis für die Anwesenheit von Eukaryoten in alten Ökosystemen. Forscher finden sie häufig in Gesteinen, die bis zu 800 Millionen Jahre alt sind. Doch in älteren Gesteinen schienen Reste von Sterolen zu fehlen. Das war rätselhaft, denn zumindest einige fossile und genetische Beweise deuten darauf hin, dass sich Eukaryoten bereits vor 1,6 Milliarden Jahren entwickelt hatten.

Eine alte Idee des Biochemikers Konrad Bloch lieferte eine mögliche Erklärung. Bloch, der 1964 für seine Arbeit zur Entschlüsselung des chemischen Stoffwechselwegs, den Zellen zur Herstellung von Cholesterin und anderen Sterolen nutzen, mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, spekulierte in den 1990er Jahren, dass frühere Lebensformen im Zuge der Weiterentwicklung dieses Stoffwechselwegs die chemischen Zwischenprodukte in ihrer Zelle genutzt haben könnten Membranen anstelle der heutigen Sterole. Er nannte diese Verbindungen „Protosteroide“ oder „Ursterole“, glaubte jedoch angesichts der damals verfügbaren Technologie nicht, dass es möglich sein würde, Beweise dafür zu finden.

Seitdem haben sich die geochemischen Techniken jedoch weiterentwickelt. In der neuen Studie machten sich der Geochemiker Jochen Brocks von der Australian National University und seine Kollegen auf die Suche nach den versteinerten Überresten einiger dieser Protosteroide. Zunächst synthetisierten sie im Labor Protosteroide namens Lanosterol, Cycloartenol und 24-Methylencycloartenol. Dann ahmten sie den Fossilisierungsprozess nach, indem sie sie Hitze und Druck aussetzten. Dabei identifizierten die Wissenschaftler Dutzende Derivate dieser Moleküle, die sie von anderen Schritten im Cholesterinweg unterscheiden könnten.

Anschließend suchten die Forscher in alten Gesteinen nach diesen Verbindungen. In Sedimenten, die sich vor 1,64 Milliarden Jahren bildeten, fanden sie Chemikalien, die den Derivaten von Lanosterol und Cycloartenol entsprachen. Und in 1,3 Milliarden Jahre alten Gesteinen fanden sie Derivate, die dem Muster von 24-Methylencycloartenol entsprachen, das auf dem Sterolweg einen Schritt weiter ist als Cycloartenol. Die alten Gesteine ​​„strotzten von diesen Molekülen“, sagt Brocks. „Ich wünschte, ich könnte Konrad Bloch anrufen und ihm sagen: ‚Wir haben sie gefunden!‘“ (Bloch starb im Jahr 2000 im Alter von 88 Jahren.)

In jüngeren Gesteinen, die vor 800 bis 720 Millionen Jahren entstanden sind, fanden die Forscher eine Mischung aus Alt und Neu: Wie erwartet fanden sie Spuren von Cholesterin und anderen modernen Sterinen. Sie fanden aber auch erhebliche Mengen versteinerter Protosteroide, was darauf hindeutet, dass die Organismen, die auf sie angewiesen waren, noch nicht ausgestorben waren. Der Anteil der Protosteroide nahm im Laufe der Zeit ab, wobei in Gesteinen, die jünger als 600 Millionen Jahre sind, moderne Sterine dominieren.

„Die Daten sind wunderschön“, sagt der organische Geochemiker Fabien Kenig von der University of Illinois Chicago. „Wir bewegen uns von einer Protosterin-Welt zu einer [modernen] Sterol-Welt.“

Die Arbeit „liefert das erste klare Beispiel für die Entwicklung von [Sterolen] im Laufe der Zeit“, sagt James Sáenz, Experte für Membranbiochemie an der Technischen Universität Dresden. Er stellt fest, dass die letzten Schritte der Cholesterinsynthese für die Zellen teuer seien und viel Energie und Sauerstoff erfordern, sich aber offenbar lohnen.

Brocks und seine Kollegen schlagen vor, dass, als der Sauerstoff auf der frühen Erde relativ knapp war, Eukaryoten, die Protosterole in ihren Membranen verwendeten, die Meere, Flüsse und Seen unseres Planeten dominierten. Als der Sauerstoff vor etwa 800 Millionen Jahren immer häufiger vorkam, begannen einige Eukaryoten, diese Verbindungen zu modifizieren, um neue Sterole herzustellen, was ihren Zellen einen evolutionären Vorteil verschaffte. Letztendlich, sagen die Autoren, seien die Organismen, die auf Protosterine angewiesen waren, ausgestorben.

Das ist möglich, sagt die Paläontologin Susannah Porter, die an der University of California in Santa Barbara frühe Eukaryoten erforscht. Aber es gibt auch andere Erklärungen, sagt sie, einschließlich der Tatsache, dass es Bakterien und nicht frühe Eukaryoten waren, die die Protosterine produzierten. „Die Schlussfolgerung, dass es sich um Eukaryoten handeln musste, ist ein kleiner Sprung.“ Dennoch: „Es ist großartig, darüber nachzudenken, dass diese Moleküle eine evolutionäre Geschichte haben“, sagt sie. „Wir wissen vielleicht nie, wer was gemacht hat, aber es ist spannend, darüber nachzudenken.“