Die (metabolischen) Kosten des Lebens

Es gibt „Kosten des Lebens“, die sich mit den Werkzeugen der mechanischen Physik nicht berechnen lassen. Ein klares Beispiel ist die Energie, die erforderlich ist, um bestimmte biochemische Prozesse aktiv zu halten – etwa jene, die der Photosynthese zugrunde liegen, wobei die Beispiele zahlreich sind – und gleichzeitig alternative Prozesse zu verhindern. In der Mechanik bedeutet keine Verschiebung keine Arbeit, und vereinfacht gesagt gibt es keine energetischen Kosten dafür, etwas nicht geschehen zu lassen. Sorgfältige stochastisch-thermodynamische Berechnungen zeigen jedoch, dass diese Kosten sehr wohl existieren – und oft beträchtlich sind.

Eine neue Arbeit, veröffentlicht im Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT), schlägt eine Methode vor, um diese Kosten aus thermodynamischer Perspektive zu berechnen. Damit wird ein neues Werkzeug bereitgestellt, um die Auswahl und Evolution metabolischer Wege zu verstehen, die an der Wurzel des Lebens stehen.

Als sich in einem urzeitlichen Ozean einige organische Moleküle zu einer äußeren Grenze zusammenschlossen – der ersten Zellmembran –, entstand erstmals eine klare Trennung zwischen Innen und Außen. Von diesem Moment an musste dieses ursprüngliche System Energie investieren, um diese Kompartimentierung aufrechtzuerhalten und aus den vielen möglichen chemischen Reaktionen nur wenige Stoffwechselwege auszuwählen, die in der Lage waren, wertvolle Substanzen von „außen“ zu nutzen und in neue Produkte umzuwandeln. Das Leben entstand gemeinsam mit diesem Aufwand der Abgrenzung und Auswahl.

Metabolische Prozesse haben direkte energetische Kosten, erfordern aber zusätzlich einen „Mehrkosten“-Anteil, um chemische Flüsse gezielt in einen bevorzugten Weg zu lenken, anstatt sie auf alle physikalisch möglichen Alternativen zu verteilen. Aus Sicht der klassischen Mechanik sollten Kompartimentierung und Reaktionsselektion – die an den Systemgrenzen auferlegten „Randbedingungen“ – jedoch keine Kosten verursachen, da sie als feste äußere Bedingungen betrachtet werden, die nicht zur Entropieproduktion beitragen.

Praful Gagrani, Forscher an der Universität Tokio und Erstautor der Studie, entwickelte gemeinsam mit seinen Kollegen Nino Lauber (Universität Wien), Eric Smith (Georgia Institute of Technology und Earth-Life Science Institute) und Christoph Flamm (Universität Wien) eine Methode, um diese bislang übersehenen Kosten zu berechnen und Stoffwechselwege zu bewerten. Dadurch können Forschende deren biologische Effizienz einschätzen – eine wertvolle Information für evolutionsbiologische Studien zur Entstehung des Lebens auf der Erde.

„Was diese Arbeit inspiriert hat, war die Tatsache, dass Eric Smith, einer der Koautoren, die von Flamm und Kollegen entwickelte Software MØD verwendet hat, um alle möglichen Stoffwechselwege zu enumerieren, mit denen sich aus CO₂ organische Moleküle aufbauen lassen“, erklärt Gagrani.

Er bezieht sich dabei auf eine frühere Studie von Smith et al. zum Calvin-Zyklus, einer Abfolge chemischer Reaktionen der Photosynthese, bei der Kohlendioxid in Glukose umgewandelt wird.

„Eric nutzte den Algorithmus, um alle Wege zu identifizieren, die dieselbe Umwandlung wie der Calvin-Zyklus leisten können, und verwendete anschließend das, was wir in unserer Arbeit als Erhaltungskosten bezeichnen, um diese Wege zu bewerten.“

Auf diese Weise zeigten Smith und Kollegen, dass der in der Natur verwendete Zyklus zu den am wenigsten dissipativen gehört – also zu jenen mit den geringsten energetischen Kosten. „Großartig, oder?“, kommentiert Gagrani.

Angeregt durch diese Ergebnisse entwickelten Gagrani und sein Team eine allgemeine Methode, um die thermodynamischen Kosten metabolischer Prozesse systematisch zu bestimmen. In ihrem Modell wird die Zelle als ein System mit konstantem Durchfluss betrachtet, in das beispielsweise ein Molekül (ein Nährstoff) eintritt und ein anderes (ein Produkt oder Abfallstoff) austritt. Auf Grundlage der zugrunde liegenden Chemie lassen sich alle chemisch möglichen Wege erzeugen, die den Input in den Output umwandeln. Jeder dieser Wege besitzt seine eigenen „thermodynamischen Kosten“.

Anstatt Energie im klassischen Sinne zu berechnen, schätzt die Methode ab, wie unwahrscheinlich es wäre, in einer Welt, die ausschließlich von spontaner Chemie bestimmt wird, dass sich das Netzwerk – also die Gesamtheit der Moleküle und Reaktionen – genau so verhält.

Diese Unwahrscheinlichkeit setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: den Erhaltungskosten, also der Unwahrscheinlichkeit, einen konstanten Fluss durch einen bestimmten Weg aufrechtzuerhalten, und den Restriktionskosten, die angeben, wie unwahrscheinlich es ist, alle alternativen Reaktionen im Netzwerk zu blockieren, während nur der interessierende Weg aktiv bleibt.

Die berechnete Unwahrscheinlichkeit stellt die Kosten dieses Prozesses dar und kann genutzt werden, um Stoffwechselwege danach zu klassifizieren, wie „teuer“ es für eine Zelle ist, einen bestimmten Weg aktiv zu halten und andere zu unterdrücken.

„Wir haben Dinge beobachtet, die wir nicht erwartet hatten, die aber Sinn ergeben, wenn man darüber nachdenkt“, erklärt Gagrani. „Zum Beispiel ist es weniger kostspielig, mehrere Wege gleichzeitig zu nutzen, als nur einen einzigen.“

Er veranschaulicht dies mit einer Analogie: „Stellen Sie sich vier Personen vor, die von A nach B durch enge Tunnel gelangen müssen. Hat jede Person ihren eigenen Tunnel – also vier Tunnel –, kommen sie schneller an, als wenn es nur drei oder weniger gibt, weil sich zwei oder mehr Personen im selben engen Durchgang gegenseitig behindern würden.“

In der Natur wird jedoch meist ein Prozess gegenüber vielen bevorzugt. Wie lässt sich das erklären? „Das stimmt“, sagt Gagrani, „aber in biologischen Systemen greift häufig die Katalyse ein – also die Wirkung von Enzymen –, die Reaktionen beschleunigt und ihre Kosten senkt und damit denselben Effekt erzielt wie mehrere parallele Wege.“

Diese evolutionäre Entscheidung hat ihren Grund darin, dass die Aufrechterhaltung vieler Wege auch Nachteile mit sich bringen kann, etwa die Produktion potenziell toxischer Moleküle.

„Unsere Methode“, so Gagrani abschließend, „ist ein nützliches Werkzeug für die Erforschung der Entstehung und Evolution des Lebens, da sie es ermöglicht, die Kosten der Auswahl und Aufrechterhaltung bestimmter metabolischer Prozesse zu bewerten. Sie hilft zu verstehen, wie bestimmte Wege entstehen – warum jedoch genau diese ausgewählt wurden, erfordert einen wirklich multidisziplinären Ansatz.“