Evoluerende moleculen tonen hoe leven werkt

Sijbren Otto, hoogleraar chemie aan de RUG, ontdekte bij toeval evoluerende moleculen. Nu vormen ze een hoofdlijn in zijn onderzoek. Uiteindelijk kunnen de moleculen helpen bij het ontdekken van algemene principes die het ontstaan van leven bepalen. De moleculen uit evenwicht houden lijkt bijvoorbeeld cruciaal te zijn. Deel 2 van een serie over het Origins Center, dat het ontstaan van het universum en leven onderzoekt.

Hij zag iets verrassends tijdens werk met een mengsel van moleculen. Dat mengsel bestond uit peptiden (kleine eiwitten), bouwstenen die ringen vormden. De ringen bleken zich spontaan tot stapels te organiseren, wat de aanmaak van nieuwe ringen stimuleerde. De stapels groeiden en braken waarna de uiteinden opnieuw gingen groeien.

‘Dit systeem had enkele intrigerende eigenschappen’, vertelt Otto. Het vertoonde bijvoorbeeld exponentiële groei, iets dat typerend is voor leven. ‘De meeste andere zelforganiserende moleculaire systemen doen dat niet.’ Verder ontdekte hij dat het type ring dat zich vormde was te sturen door het mengsel te schudden of juist te roeren. Verdere experimenten toonden een vorm van ‘soortvorming’ bij de stapeltjes, die afhing van het type bouwsteen (het ‘voedsel’) dat in het mengsel aanwezig was.

Dood

Natuurlijk leven zelforganiserende moleculen in een reageerbuis niet, Otto noemt ze dan ook ‘replicatoren’. Maar hoe zou hij leven definiëren? ‘De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA definieert het als een zichzelf onderhoudend chemisch systeem waarin Darwiniaanse evolutie mogelijk is’, antwoordt Otto. ‘Maar ik zou dat willen aanscherpen en zeggen dat er in dat systeem open-einde evolutie moet kunnen plaatsvinden.’ Dit betekent dat het systeem in staat moet zijn totaal nieuwe wegen in te slaan en zich niet alleen beweegt binnen een vooraf vastgelegde variatie. Dat laatste zou al Darwiniaanse evolutie zijn.

Zijn eigen systeem voldoet niet aan de aangescherpte definitie. ‘De variatie is te beperkt. Maar we zien wel mutatie en selectie. En we hebben een soort dood geïntroduceerd, de afbraak van de stapels. Dat maakt het systeem dynamisch: nieuwe stapels vormen zich uit de bouwstenen – die je kunt vergelijken het met voedsel dat energie geeft aan het systeem – en worden dan weer afgebroken, processen die je ziet bij levende organismen.’

Zo’n systeem, dat uit evenwicht is, produceert andere replicatoren dan een systeem in evenwicht. ‘Evenwicht is de dood in de pot: er gebeurt niets interessants meer. Je krijgt via zo’n systeem nooit een toename van complexiteit.’ Het meeste werk in de chemie gebeurt juist met stabiele moleculen. ‘Maar dat is niet hoe leven werkt! We onderschatten het belang van processen die instabiel, uit-evenwicht zijn.’

Delicaat

In maart ontving Sijbren Otto een ERC Advanced Grant voor zijn onderzoek naar chemische evolutie. Hij maakt ook deel uit van een Europees netwerk van scheikundigen die geïnteresseerd zijn in het ontstaan van leven. Gezien zijn interesse is het niet verrassend dat Otto een belangrijke rol speelt in het Origins Center, dat wil uitzoeken hoe het universum en het leven zijn begonnen. Hoe dicht zijn we bij het maken van leven uit levenloze materie? ‘We moeten nog een aantal stappen zetten voordat er open-einde evolutie plaatsvindt’, zegt Otto. Hij glimlacht: ‘Maar het kan natuurlijk zijn dat er een geologische tijdschaal nodig is om die te zetten.’

Al zou het ook snel kunnen gaan. Het kunstmatige systeem van Otto levert snelle resultaten, dus die open-einde evolutie zou ieder moment kunnen opduiken. ‘Het lijkt soms alsof we niet zo snel verder komen, omdat we zulke kleine stappen nemen door steeds een voor een nieuwe bouwstenen toe te voegen.’ Hij lacht. ‘Misschien moeten we een keer dertig nieuwe bouwstenen in een keer bij elkaar gooien en kijken wat er dan gebeurt.’ Maar de analyse van wat er gebeurt in het systeem is complex, dus zo’n stap zet je niet even met een vrijdagmiddag experiment.

‘Het verkrijgen van open-einde evolutie is een delicaat proces. Als je het systeem te veel ruimte geeft gaat het nergens heen. Maar als je het te sterk beperkt kan het ook nergens heen.’ Dus moet Otto de juiste balans vinden om het systeem echt creatief te maken, zonder dat hij de mechanismen of condities kent die daar aan bijdragen. Wel geeft de biologie enkele aanknopingspunten: ‘Biologische evolutie verloopt sneller wanneer de condities snel veranderen, dus we proberen ons systeem wat onder druk te zetten.’ En hij gaat mogelijk andere bouwstenen toevoegen dan alleen peptiden. ‘We zouden het systeem de bouwstenen van DNA kunnen aanbieden, of vetten. Dat kan nieuwe replicatoren opleveren.’

Tijd

Als zijn systeem echt open-einde evolutie laat zien, wat zegt dat dan eigenlijk over het ontstaan van leven op onze planeet? ‘We zullen nooit zeker weten hoe dat is gebeurd’, zegt Otto. ‘Maar als we er in slagen leven te laten ontstaan zou dat antwoord geven op enkele belangrijke vragen.’ Het zou bijvoorbeeld aantonen dat leven inderdaad kan ontstaan uit levenloze materie. ‘En we zouden mechanismen kunnen ontdekken die bijdragen aan het ontstaan van leven. Als die mechanismen algemeen zijn, geeft dat ons een aanwijzing over hoe leven op aarde kan zijn begonnen.’

Otto denkt dat hij al twee van dit soort mechanismen kent: ‘Je moet het materiaal concentreren. In de scheikunde krijgen we dat bijvoorbeeld door fasescheiding. En je hebt autokatalyse nodig, reacties die zichzelf versterken. Alleen op die manier krijg je de exponentiële groei die kenmerkend is voor levende systemen.’ Het lijkt een kwestie van tijd voordat met behulp van deze principes ergens in een lab nieuw leven ontstaan. Maar hoeveel tijd, dat is dus de grote vraag.

Dit is de tweede aflevering in een serie over RUG-onderzoek naar de oorsprong van het universum, de aarde en het leven.
Deel 1: Nieuw centrum onderzoekt oorsprong van leven en het universum

Deel 3: Leven bouwen via synthetische biologie
Deel 4: De gebroken symmetrie van het leven
Deel5: Leven tussen de sterren
Deel 6: Oorsprongsvragen voor de computer

Zie ook de website van de Otto Research Group.