Von Metabolomics zur Astrochemie Eine Spur zu den ersten Bausteinen des Lebens

24. September 2023, in der Wüste des US-Bundesstaats Utah. Eine kleine Weltraumkapsel mit einer überaus kostbaren Fracht ist sicher auf dem staubigen Boden gelandet: Gerade zurück aus dem All birgt die NASA-Sonde OSIRIS-REx etwa 120 Gramm Gesteins- und Staubmaterial des Asteroiden Bennu. Wissenschaftler:innen erwarten diese Proben sehnsüchtig, stammen sie doch von einem kosmischen Relikt vom Beginn unseres Sonnensystems. Von der genauen Analyse der Mitbringsel vom Asteroiden Bennu erwarten sie sich Rückschlüsse auf dessen Frühzeit. Und nicht nur das: Auch die Rätsel um die Entstehung des Lebens auf der Erde wollen sie dadurch besser verstehen. 

Denn die Hoffnung der Forschenden ist, dass sich in diesen Proben Spuren der chemischen Prozesse verbergen, die einst die Grundlage für das Leben auf der Erde geschaffen haben. Doch um die Geheimnisse von Bennu zu entschlüsseln, braucht es mehr als nur modernste Raumfahrt. Es ist ausgeklügelte Analysetechnik nötig, wie sie Prof. Philippe Schmitt-Kopplin, Direktor der unabhängigen Forschungsgruppe „Analytische Biogeochemie“ mit seinen Mitarbeitenden bei Helmholtz Munich entwickelt und etabliert hat. Mit hochauflösender Massenspektrometrie und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht sein Team die molekulare Signatur dieser Proben – und eröffnet damit neue Perspektiven auf die Ursprünge organischer Chemie im Universum.

Bennu gehört zu einer seltenen Klasse von Asteroiden, die als ursprünglich und kohlenstoffreich gelten. Schon lange vor der OSIRIS-REx-Mission hatten Wissenschaftler:innen mit Teleskopen und Spektrometern Hinweise darauf gefunden, dass Bennu eine chemische Zusammensetzung besitzt, die zu Beginn der Existenz des Sonnensystems entstanden sein muss. Diese Vermutung wurde bestätigt, als die Sonde OSIRIS-REx nach zwei Jahren Flug durch das All den Asteroiden erreichte und zunächst detaillierte Analysen seiner Oberfläche durchführte: Bennu ist reich an kohlenstoffhaltigen Verbindungen und enthält Mineralien, die auf den früheren Kontakt mit Wasser hinweisen. Das macht ihn zu einer Art kosmischer Zeitkapsel, die Einblicke in die chemischen Prozesse jener viele Milliarden Jahre zurückliegenden Epoche erlaubt. Um auf der Erde umfangreichere Untersuchungen seines Materials anstellen zu können, hat die Sonde den Asteroiden kartiert, ein geeignetes Probenahmegebiet ausgewählt und schließlich mit einer speziellen „Touch-And-Go“-Technik Staub und Gesteinsbröckchen von Bennus Oberfläche entnommen. 

Erste Analysen der Proben aus der OSIRIS-REx-Mission haben bereits eine überraschend große Vielfalt organischer Verbindungen gezeigt, darunter Aminosäuren, DNA-Bausteine und wasserhaltige Salze. „Diese Funde deuten darauf hin, dass Bennu einst auf dem Mutterkörper flüssiges Wasser enthielt“, so Schmitt-Kopplin: „Wasser und Wärme – etwa in Form von hydrothermaler Aktivität – gelten als entscheidende Voraussetzungen für die Entstehung komplexer chemischer Prozesse, die auch Grundlage des Lebens auf der Erde sind.“

Die detaillierte Untersuchung der Bennu-Proben stellt die Wissenschaft vor außergewöhnliche Herausforderungen. Zum einen ist das Material knapp – die OSIRIS-REx-Mission hat schließlich nur etwa 120 Gramm Gestein und Staub zur Erde gebracht. Jede Analyse muss daher in enger Abstimmung im Konsortium durchgeführt werden, um die wertvollen Proben nicht unnötig zu verbrauchen. Eine weitere Herausforderung liegt darin, Verfälschungen des Asteroiden-Materials durch irdische Kontamination zu vermeiden. Die Proben aus dem All müssen deshalb bestmöglich vor dem Kontakt mit der irdischen Atmosphäre und Biosphäre geschützt werden, um sicherzustellen, dass die in ihnen gefundenen organischen Moleküle tatsächlich von Bennu stammen – und nicht nachträglich aus der irdischen Umgebung eingebracht wurden.

All dies erfordert extreme Sorgfalt und hochpräzise Analytik, die kleinste chemische Signale entschlüsseln kann, ohne die Probe selbst zu verändern. Extrem empfindliche Nachweismethoden sind aber auch nötig, weil die Proben eine hochkomplexe Mischung aus organischen Molekülen und mineralischen Bestandteilen enthalten, die sich in ihrer Struktur deutlich von irdischem Material unterscheiden. „Die meisten dieser chemischen Verbindungen sind bislang unbekannt“, beschreibt Schmitt-Kopplin die Herausforderung: „Standardmethoden der Chemie und Geologie stoßen hier schnell an ihre Grenzen.“

Neben der Erforschung des Mikrobioms kann Schmitt-Kopplins Team solche Veränderungen auch in Zellkulturen, Atemkodensat-, Urin- oder Blutproben nachweisen. Die Wissenschaftler:innen suchen dabei nach molekularen Markern, die eine Erkrankung bereits in einem sehr frühen Stadium anzeigen – lange bevor Symptome auftreten. Die gleichen analytischen Methoden, mit denen sich die chemische Entwicklung von Asteroiden rekonstruieren lässt, werden hier dazu genutzt, frühzeitig Stoffwechselveränderungen im menschlichen Körper im Zusammenhang mit dem Aufkommen von Krankheiten anhand von Biomarkern zu erkennen. Ziel ist es, die damit im Zusammenhang stehenden Erkrankungen gezielter, früher und personalisiert mit Medikamenten zu behandeln. 

„Dass wir diese hochpräzisen Analysemethoden entwickeln und mit der NMR-Spektroskopie kombinieren konnten, liegt zum einen an der Kreativität und dem Einsatz aller Mitglieder im Team“, sagt Schmitt-Kopplin, „einen wichtigen Beitrag leistet aber auch die interdisziplinäre Ausrichtung von Helmholtz Munich. Als eines der führenden biomedizinischen Forschungszentren in Europa bietet es eine einzigartige Infrastruktur, um Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in die praktische Anwendung zu überführen. Unsere Arbeit profitiert erheblich von diesem Umfeld, das den Austausch zwischen Chemikern, Biologinnen, Medizinern und Datenwissenschaftlerinnen fördert.“

Besonders wertvoll ist ihm die enge Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Institutionen, darunter auch die Technische Universität München, wo er im Bereich Lebensmittelchemie und Mikrobiom-Forschung als Professor lehrt, sowie das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, mit dem Schmitt-Kopplin die Astrochemie-Projekte als Gastwissenschaftler vorantreibt. Diese interdisziplinären Synergien ermöglichen es, neue Forschungsfelder zu erschließen und Methoden zu entwickeln, die über einzelne Disziplinen hinausgehen.

Die Erforschung der Bennu-Proben steht erst am Anfang. In den kommenden Jahren werden Wissenschaftler:innen weiterhin die einzigartigen organischen Moleküle untersuchen, die auf dem Asteroiden gefunden wurden. Dabei geht es nicht nur darum, die chemische Evolution des Sonnensystems zu verstehen, sondern auch mögliche Parallelen zur Entstehung des Lebens auf der Erde zu finden. 

“Neue analytische Verfahren mit noch höherer Empfindlichkeit und besseren Nachweisgrenzen können in naher Zukunft dazu beitragen, noch komplexere molekulare Strukturen zu entschlüsseln, die bisher in keiner irdischen Datenbank existieren. Gerade in der Medizin eröffnen Metabolomics sowie die hochauflösende Massenspektrometrie und NMR-Spektroskopie neue Möglichkeiten.”

Philippe Schmitt-Kopplin

Die organische Mischung auf den Asteroiden und unserer Erde ist die größte chemische Bibliothek mit neuer Chemie, die wir gerade erst zu verstehen beginnen. Die langfristige Perspektive könnte sein, die molekulare Analytik so weiterzuentwickeln, dass sich nicht nur vergangene Prozesse rekonstruieren, sondern auch gezielt neue chemische Reaktionen vorhersagen und steuern lassen. Die Grenzforschung an Bennu ist also nicht nur ein Blick in unsere eigene Vergangenheit und die des Sonnensystems – sie liefert sicher auch neue Impulse für die Zukunft der Gesundheitswissenschaften. 

Letztes Update: April 2025.