De gebroken symmetrie van het leven

Hoe is het leven ontstaan? Volgens RUG hoogleraar chemie Ben Feringa is dat vermoedelijk een van de belangrijkste vragen voor de wetenschap. Hij heeft er over nagedacht vanaf het moment dat hij zich met scheikundig onderzoek ging bezighouden, vooral over de vraag waarom het leven van veel organische moleculen, die in twee spiegelbeeldvormen bestaan, er slechts eentje wordt gebruikt. Dit raadsel kent nog steeds geen antwoord.

Ben Feringa heeft een drukke tijd achter de rug, om het voorzichtig uit te drukken, na de toekenning van de Nobelprijs voor chemie in 2016, die hij deelde met zijn collega’s Sir J. Fraser Stoddart en Jean-Pierre Sauvage. In verschillende interviews die hij sindsdien heeft gegeven is hem gevraagd welke vragen hij nog wil aanpakken. De oorsprong van het leven, was zijn antwoord.

Veel moleculen bestaan in twee versies, vergelijkbaar met je twee handen: identiek, maar ook elkaars spiegelbeeld. Tijdens chemische synthese van zulke moleculen ontstaat er normaal gesproken een half om half mengsel van beide ‘handen’. Feringa besteedde een belangrijk deel van zijn carrière aan het zoeken naar een manier om slechts één van beide te produceren.

Hij schat de markt voor chirale geneesmiddelen (chiraal betekent slechts één van beide versies) op ongeveer 350 miljard euro per jaar. ‘In veel geneesmiddelen is een versie de werkzame stof, de andere kan zelfs schadelijk zijn.’ Daarin lag ook de oorzaak van het softenon-drama uit de jaren zestig van de vorige eeuw. De ene ‘hand’ zorgde voor een kalmerend effect, de andere veroorzaakte aangeboren afwijkingen wanneer de moeder het tijdens de zwangerschap had gebruikt.

Boegbeeld

Levende organismen hebben een voorkeur voor aminozuren in de L-vorm (linkshandig) en suikers in de D-vorm (rechtshandig). Enzymen maken de juiste vorm in alle cellen. ‘Maar waarom gebruikt het leven maar een van de spiegelbeelden terwijl ze allebei aanwezig zijn? Die zogenoemde chiraliteit is ene kenmerk van leven’, zegt Feringa die optreedt als ‘boegbeeld’ van het nieuwe Origins Center dat een antwoord wil geven op de vraag hoe leven begon. ‘Dus waar komt deze voorkeur vandaan?’ Dat is de vraag die Feringa dolgraag nog zou willen beantwoorden. Hij heeft er zo nu en dan al aan gewerkt tijdens zijn hele loopbaan.

‘Dat gaat terug tot mijn tijd als promovendus in het lab van mijn begeleider en mentor Hans Wijnberg’, vertelt Feringa. ‘De vraag hoe het leven chiraal is geworden bespraken we daar, en we werden er allemaal door gegrepen. We deden experimenten om te zien of we de symmetrie van prebiotische moleculen of vroege replicatoren, de voorlopers van leven, konden breken.’ De resultaten waren niet heel overtuigend. Sinds die tijd zijn er tal van theorieën bedacht. De meeste beschrijven hoe een klein overschot van één vorm kan ontstaan, bijvoorbeeld door puur toeval, of bijvoorbeeld de werking van circulair gepolariseerd licht. Andere theorieën gaan uit van chirale mineralen of het coriolis effect om chiraliteit te stimuleren.

Relevant

‘Ik heb ooit een versterking van de chiraliteit met 0,06 procent gevonden onder invloed van circulair gepolariseerd licht’, weet hij nog. Zo’n klein verschil kan belangrijk zijn als de chirale vorm vervolgens zijn eigen productie gaat stimuleren. ‘Dat zulke autokatalyse kan plaatsvinden is wel bewezen, maar doorgaans niet in systemen die relevant zijn voor de biologie.’ Feringa toonde onlangs auto amplificatie aan in een systeem waarin de moleculen een gel van vezels vormden. Er zijn allerlei andere scenario’s voorgesteld maar uiteindelijk, aldus Feringa, ‘hebben we geen idee hoe relevant die zijn.’

Afgelopen november verdedigde Feringa’s promovenda Anne Schoonen haar proefschrift over dit thema. ‘Die promotie was onderdeel van een onderzoeksprogramma in de astrobiologie. Zij testte een aantal mechanismen om homochiraliteit te krijgen onder condities die heersten voor de start van het leven. Maar de resultaten vielen wat tegen.’ Schoonen deed al haar experimenten in water, een biologisch belangrijk oplosmiddel. Anderen, die meer veelbelovende resultaten vonden, deden hun onderzoek niet in water, wat hun werk minder relevant maakt.

Tijd

Op dit moment gebeurt er geen onderzoek naar de oorsprong van het leven in zijn lab. ‘Dat wisselt een beetje, afhankelijk van het geld dat beschikbaar is. Ik heb nog wel ideeën, maar het is lastig om financiering te vinden voor dit soort onderzoek dat geen echte toepassing heeft.’ Wat dat betreft kan de Nationale Wetenschapsagenda een kans bieden. Die belooft extra geld om vragen te onderzoeken die zijn gesteld door Nederlandse burgers. Het Origin Center zal de vragen oppakken die gaan over het ontstaan van het universum en van leven.

‘Mijn vragen over symmetriebreking passen daar mooi in.’ Tijdens de eerder genoemde interviews gaf Feringa aan dat het misschien wel dertig jaar kost om de antwoorden te vinden. ‘Het gaat niet van vandaag op morgen. Stukje voor stukje zouden we tot een oplossing kunnen komen. En zelfs als we alleen maar een plausibel mechanisme ontdekken dat de gebroken symmetrie kan verklaren zou dat een grote doorbraak zijn!’

Dit is de vierde 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 2: Evoluerende moleculen tonen hoe leven werkt
Deel 3: Leven bouwen via synthetische biologie

Deel 5: Leven tussen de sterren
Deel 6: Oorsprongsvragen voor de computer