‘Hele volksstammen hebben geprobeerd het begin van het leven op aarde te ontrafelen. Maar daar houden wij ons niet mee bezig, dat is drie miljard jaar geleden. Dan krijg je oeverloze discussies over welke moleculen en verbindingen er dan ooit in die oersoep hebben gezeten. Het is al moeilijk genoeg om ‘leven’ te maken in het lab zonder al die beperkingen’, vertelt hoogleraar systeemchemie Sijbren Otto. Begin dit jaar ontving hij een prestigieuze Vici-grant van NWO voor zijn onderzoek naar kunstmatig leven.
Mooi, maar wat moeten we onder leven verstaan? ‘Ja, dan zit je meteen met een definitiekwestie’, zegt Otto. ‘De NASA definitie luidt: A self sustaining chemical system capable of Darwinian evolution. Dus moleculen moeten zichzelf kunnen kopiëren – voortplanten – en kunnen muteren. Afhankelijk van de omstandigheden moeten sommige mutanten dan een betere overlevingskans hebben dan andere. Dat is Darwiniaanse evolutie: mutatie en selectie.’
Shaken or stirred
En daar zijn ze nu dichtbij. Otto kan die eigenschappen laten ontstaan in een volledig scheikundige omgeving. Of hij het kan laten zien?
‘Tja, het spreekt visueel helaas volstrekt niet tot de verbeelding’, lacht Otto. Hij heeft geen grote, kolkende erlenmeyers met groene soep en elektrische vonken. De experimenten vinden plaats in honderden minieme glazen buisjes, met daarin een halve milliliter waterige vloeistof. En in die halve milliliter, iets meer dan een regendruppel, gebeurt het allemaal: leven!
|
Dit artikel verscheen ook in ons papieren magazine, overal verkrijgbaar in de universitaire gebouwen of digitaal op Issuu. |
Het begon vijf jaar geleden met een mislukt experiment van zijn promovenda Jacqui Carnall. Ze onderzocht of bepaalde bouwstenen – kleine stukjes eiwit – samen ringvormige moleculen konden vormen door ze langdurig te mengen. Chemici gebruiken daar vaak een magnetisch roerplaatje voor. Daar zet je een erlenmeyer op met je oplossing. Als je dan een kleine magneet op de bodem legt, gaat die vanzelf ronddraaien, zodat de oplossing gemengd wordt.
Er ontstonden inderdaad ringen. Maar het resultaat was niet reproduceerbaar. Soms vond Carnall vooral ringen die bestonden uit zes bouwstenen, dan weer uit zeven. Carnall herhaalde haar experimenten keer op keer en uiteindelijke realiseerde ze zich wat de oorzaak was. Als de erlenmeyer niet precies in het midden van de roerplaat staat, maar een beetje naar de zijkant, dan wordt de oplossing meer geschud dan geroerd. En schudden veroorzaakte de zes ringen. Roeren de zeven ringen.
‘Simpel gezegd heeft ze dus ontdekt dat het echt uitmaakt of een cocktail shaken or stirred is, zoals James Bond beweert’, lacht Otto. ‘Maar even serieus. Dit is een goed voorbeeld van een ontdekking, terwijl je op zoek bent naar iets anders. Dat is het belang van fundamenteel onderzoek. Je moet er ook de juiste mentaliteit voor hebben. Ze had ook na een week kunnen zeggen: laat maar zitten. In plaats daarvan heeft ze uitgezocht wat er aan de hand was en al doende vond ze iets totaal onverwachts: de ringen bleken zichzelf te kopiëren. Door die toevallige ontdekking wordt nu wel minstens de helft van het onderzoek van onze vakgroep gefinancierd.’
Maar waarom maakt schudden of roeren nu zoveel verschil? De ringen kopiëren zichzelf en plakken daarna spontaan aan elkaar tot een lange sliert. Als je te hard schudt, breken die sliertjes in twee stukken. Dan heb je twee keer zoveel uiteinden. Die uiteinden groeien weer aan met nieuwe ringen. En dan gaat het hard.
Ontelbaar veel
Net als delende bacteriën: eerst heb je er twee, dan vier, dan acht, dan zestien, dan 32 en voor je het weet zijn het er ontelbaar veel. Datzelfde geldt voor die sliertjes. Zolang er nog losse bouwstenen zijn, blijven de sliertjes zich verdubbelen.
‘Dat is het unieke’, zegt Otto. ‘Er zijn wereldwijd ongeveer tien tot twintig zichzelf replicerende systemen, maar die hebben bijna allemaal hetzelfde probleem. Je begint met één replicator, die kopieert zich, dan heb je twee replicatoren aan elkaar en daarna houdt het op.’
En één kopie, daar heb je niet veel aan. Wat je nodig hebt is exponentiële groei, zoals bij bacteriën en dus ook bij die sliertjes, legt Otto uit. ‘Dan kan een populatie zo snel groeien dat het de concurrentie doet uitsterven en dat is een van de voorwaarden voor Darwiniaanse evolutie. Wat je daarnaast nodig hebt zijn mutaties. Dan kan je de omstandigheden veranderen en het mutatie-selectiespelletje gaan spelen.’
Vooroudermoleculen
Daar zijn ze nu dus mee bezig. ‘Tot nu toe deden we alles met één soort bouwsteen, steeds hetzelfde stukje eiwit. Nu kijken we wat er gebeurt als je twee bouwstenen gebruikt: twee kleine eiwitten, die we F en S noemen. F-stukjes hebben de neiging zich te binden tot een zes-ring, terwijl S-stukjes een voorkeur hebben voor een acht-ring.’
Als je die twee soorten bij elkaar gooit en gaat roeren, dan gebeurt er iets interessants. Hoewel er heel veel S-bouwstenen in zitten, die normaal graag een acht-ring vormen, gebeurt dat niet als er ook veel F-stukjes in de oplossing zitten.
Otto: ‘Er ontstaan alleen zes-ringen. Een deel daarvan bestaat uit zes F-stukjes, zoals je zou verwachten, maar zo’n zes-ring kan ook gevormd worden als er af en toe een S-bouwsteen bij zit. We vonden bijvoorbeeld zes-ringen die uit vijf F-stukjes en één S-stukje bestonden, ringen met vier F-stukjes en twee S-stukjes, en een kleine hoeveelheid met drie F-stukjes en drie S-stukjes.’
Een paar weken nadat bovengenoemde combinaties zich hadden gevormd, ontstonden er spontaan geheel nieuwe combinaties. Ringen met slechts twee F-stukjes en vier S-stukjes, ringen met nog maar één F en vijf S-stukjes en zelfs ringen van zes S-stukjes.
Het kleine beetje F3S3 dat wordt gevormd, zou je een ondersoort van F6 kunnen noemen, aldus Otto. ‘Een noodzakelijke tussenstap om vervolgens de volstrekt nieuwe en onverwachte structuur S6 te laten ontstaan. Het lijkt erop dat we een proces dat sterk lijkt op soortvorming zoals dit gebeurt in de biologie, voor het eerst op moleculair niveau hebben waargenomen.’
Leven en dood
De volgende stap is afbraak, vertelt Otto. ‘We willen die replicaties laten plaatsvinden en tegelijkertijd weer om zeep helpen, afbreken tot de bouwstenen, zodat er in het systeem een continue wedloop plaats heeft tussen replicatie en destructie. Daar zijn we nu een methode voor aan het ontwikkelen. Dat komt vooral aan op een goede balans tussen de bouwstenen F en S en de hoeveelheid afbraakmoleculen.’
Afbreken is voor een chemicus niet zo moeilijk. Als je er een geschikte stof bij gooit, dan gaan de bindingen tussen de bouwstenen kapot.
Otto: ‘Stel dat dat lukt, dan hebben we echt een chemisch systeem dat vergelijkbaar is met het biologische systeem. Want de belangrijkste kenmerken van leven zijn: opbouw, afbraak en verandering.’
Het is en blijft fundamenteel, het levert geen product op wat morgen in de supermarkt ligt. ‘Maar het is wel extreem nieuw en interessant, dat merken we ook aan de interesse uit andere wetenschapsgebieden. Iedereen is heel benieuwd hoe dit verder gaat. Net als in de evolutie, kunnen we alleen niet zeggen waar het toe gaat leiden.’