De oorsprong van chemische soorten

Hoe kan leven ontstaan uit een levenloze chemische soep? Sinds de publicatie van ‘Over de oorsprong van soorten’ van Charles Darwin houdt die vraag wetenschappers bezig. RUG hoogleraar chemie Sijbren Otto bestudeert ‘chemische evolutie’, om te zien of zelforganisatie en autokatalyse een antwoord kunnen opleveren. Zijn onderzoeksgroep ontwikkelde eerder een modelsysteem met zelfreplicerende moleculen – moleculen die kopieën van zichzelf kunnen maken – en hebben nu aangetoond dat er ook diversiteit kan ontstaan door mutatie van de replicatoren.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer je begint met bepaalde mutant van het ‘voorouder’ molecuul er spontaan een nieuw type replicator kan ontstaan. Dit laat zien hoe diversiteit zoals we die zien in de biologie mogelijk al op moleculair niveau kan zijn ontstaan. Deze resultaten zijn op 4 januari gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry.

Het leven moet ooit zijn ontstaan, maar hoe dat gebeurde is nog steeds een mysterie. Charles Darwin speculeerde er zelf over, in een brief aan Joseph Hooker uit 1871: ‘Wat als (en wat een groot als is dat) we ons een warm poeltje voorstellen met allerlei soorten zouten van ammonium en fosfor, - en daarbij licht, warmte elektriciteit enzovoorts aanwezig – waarin een eiwitachtige stof langs chemische weg ontstaat, klaar om complexere veranderingen te ondergaan. In de huidige tijd zou dat direct worden opgegeten of geabsorbeerd, maar dat zou niet gebeuren in een tijd voordat levende wezens waren gevormd.’

Het is onmogelijk om te achterhalen hoe het leven op aarde ooit begonnen is, maar dat weerhoudt wetenschappers er niet van om uit te zoeken hoe het zou kúnnen zijn ontstaan. Dat is niet alleen een kwestie van nieuwsgierigheid. De processen die een rol spelen, zoals autokatalyse (moleculen die de vorming van kopieën van zichzelf stimuleren) en zelforganisatie (moleculen die zich spontaan organiseren in structuren van een hogere orde) zijn belangrijk voor bijvoorbeeld de materiaalwetenschap.

Sijbren Otto werkt al enkele jaren aan chemische evolutie. ‘Dat begon met een toevallige ontdekking’, vertelt hij. ‘We vonden kleine peptiden die uit zichzelf ringetjes konden vormen, en die ringetjes vormden weer stapeltjes.’ Zo’n stapeltje bleef groeien totdat het in twee stukken brak, waarna er twee groeiende stapeltjes waren. Die groeiden en braken weer en zo ging het verder. De stapeltjes en ringetjes heten ‘replicatoren’, omdat ze kopieën van zichzelf maken.

Mutanten

Jan Sadownik, een postdoc in de groep van Otto, ontdekte iets nieuws. Wanneer je replicatoren twee verschillende typen peptide-bouwstenen – ‘voedsel’ – aanbiedt (we noemen ze even A en B) gaan ze kopieën van zichzelf maken. Sadownik zag dat er een set mutante replicatoren ontstonden die vooral bouwsteen A als ‘voedsel’ gebruikten om ringetjes van te maken, maar daarin ook wat B opnamen. De ringetjes bestonden dus vooral uit A, met een paar B’s ertussen.

Na een paar dagen zag Sadownik een nieuwe set ontstaan van replicatoren die vooral bouwsteen B opnamen, maar ook wat A in hun ringetjes verwerkten. Deze tweede set bleek af te stammen van de eerste set replicatoren, er was een afstammingsrelatie tussen beide sets. Dit lijkt sterk op hoe nieuwe soorten ontstaan uit voorouders tijdens biologische evolutie, maar dan op moleculair niveau in plaats van in levende organismen.

Door in meer detail naar deze ‘soortvorming’ te kijken wisten de onderzoekers te achterhalen van welke specifieke mutanten de nieuwe ‘soorten’ afstammen. Op die manier is op moleculair niveau vastgesteld hoe nieuwe replicator-soorten kunnen ontstaan. Zo’n spontane splitsing van replicatoren in afzonderlijke soorten zou wel eens de eerste stap kunnen zijn in een lang proces dat uiteindelijk heeft geleid tot de indrukwekkende soortenrijkdom die we nu zien in de natuur!

De experimenten laten zien hoe soortvorming kan optreden tijdens chemische evolutie. ‘Al kan je de term ‘soortvorming’ eigenlijk alleen gebruiken wanneer je spreekt over zich seksueel voortplantende organismen’, legt Otto uit. ‘Maar ons werk laat een vergelijkbaar patroon zien.’ Het opwindende hiervan is dat ‘we beginnen zonder replicatoren, waarna eerst het ene type verschijnt en na een tijdje een tweede type. Dat is absoluut belangrijk.’

De volgende stap in het onderzoek is de introductie van de dood. Dit kan door het systeem constant te voeden met een oplossing van bouwstenen en tegelijkertijd vloeistof uit het reactievat te verwijderen. Replicatoren kunnen dan alleen overleven wanneer de snelheid waarmee ze ontstaan groter is dan de snelheid waarmee ze verwijderd worden.

‘We zouden aan zo’n systeem een bepaalde set replicatoren kunnen toevoegen en dan de omstandigheden veranderen, bijvoorbeeld door een oplosmiddel toe te voegen. Dat zou de overlevingskansen van de replicatoren verminderen, waardoor bepaalde mutanten die hier beter mee om kunnen gaan de overhand krijgen.’ Het resultaat is een vorm van natuurlijke selectie die Darwin zou herkennen. ‘En wij zijn niet de enigen die dit opwindend vinden, de evolutionair biologen die ik hierover heb gesproken vinden het ook machtig interessant.’

Referentie: Jan W. Sadownik, Elio Mattia, Piotr Nowak and Sijbren Otto: Diversification of self-replicating molecules. Nature Chemistry, Advanced Online Publication 4 January 2016. DOI 10.1038/nchem.2419

Terug naar het Science LinX nieuwsoverzicht