De dood maakt complexiteit mogelijk in chemische evolutie

Kort & bondig

Een van de grootste wetenschappelijke vragen is hoe leven heeft kunnen ontstaan uit levenloze materie. RUG-scheikundigen hebben eerder al een systeem ontwikkeld waarin zichzelf kopiërende draadjes ‘evolueren’. Maar eenvoudige draadjes kunnen zichzelf sneller kopiëren dan complexere varianten. Deze ‘overleving van de eenvoudigste’ zorgt ervoor dat in dit soort systemen nooit de complexiteit ontstaat die nodig is voor leven. Dit probleem is nu opgelost door een stof toe te voegen die de draadjes kapot kan maken, ze als het waren ‘doodt’. Experimenten laten zien dat complexere draadjes minder gemakkelijk stuk worden gemaakt, wat betekent dat in aanwezigheid van ‘de dood’ complexe systemen het winnen van de eenvoudiger varianten.

Simpele systemen kunnen zich sneller vermenigvuldigen dan complexe. Dus hoe kan de complexiteit van leven ontstaan uit een simpel chemisch begin? RUG scheikundigen onderzochten die vraag met een eenvoudig systeem van replicatoren, zichzelf kopiërende draadjes, en ontdekten dat complexere draadjes in het voordeel zijn wanneer ze een molecuul toevoegen dat de draadjes kapot maakt. Dit systeem is een belangrijke stap op weg naar het beantwoorden van de vraag hoe leven kan ontstaan uit levenloze materie. De resultaten zijn op 10 maart gepubliceerd in het tijdschrift Andewandte Chemie.

De weg die leidt naar het antwoord op de vraag hoe het eerste leven ooit is ontstaan wordt bewaakt door Spiegelmans monster, vernoemd naar de Amerikaanse moleculair bioloog Sol Spiegelman. Hij beschreef zo’n 55 jaar geleden dat replicatoren de neiging hebben kleiner te worden wanneer ze evolueren. ‘Complexiteit is een nadeel tijdens replicatie, dus hoe is die complexiteit dan toch geëvolueerd?’, zegt RUG hoogleraar Systeemchemie Sijbren Otto. Hij ontwikkelde eerder al een zelf-replicerend systeem van draadjes die gemaakt zijn van eenvoudige bouwstenen. Nu heeft hij een manier gevonden om het monster te verslaan.

Dood

‘Om dat te bereiken hebben we de dood toegevoegd aan ons systeem’, legt Otto uit. De draadjes bestaan uit gestapelde ringetjes, die weer ontstaan via zelf-assemblage van bouwstenen. Het aantal bouwstenen in een ringetje kan variëren, maar de stapels bevatten altijd ringen van dezelfde grootte. Otto en zijn team stelden het systeem zo af dat er twee soorten ringetjes ontstonden, van drie of zes bouwstenen.

Normaal gesproken groeien stapels van kleine ringetjes harder dan die met de grotere ringen. ‘Maar wanneer we een stof toevoegen die de ringetjes in zo’n stapel kan opbreken, bleek dat de grotere ringen hier minder gevoelig voor waren. Daardoor krijgen de draadjes van grotere ringen de overhand, ook al repliceren de draadjes met kleine ringen sneller. Maar die zijn gemakkelijker te “doden”.’

Experimenten

Otto erkent dat het verschil in complexiteit tussen beide soorten draadjes klein is. ‘We zagen wel dat de draadjes die bestaan uit de grotere ringen betere katalysatoren zijn van de standaard retro-aldol reactie. Maar beide soorten draadjes hebben verder helemaal niets aan die reactie.’ Wel is het zo dat de extra complexiteit de draadjes met grotere ringen beschermt tegen afbraak, vermoedelijk doordat de zwavel-zwavel verbindingen die de bouwstenen aan elkaar verbindt meer afgeschermd zijn.

‘Wat we wel hebben laten zien is dat het mogelijk is om Spiegelmans monster te verslaan’, zegt Otto. “Wij deden dat op één bepaalde manier, door chemische afbraak te introduceren, maar er kunnen ook andere manieren zijn. Onze volgende stap is om uit te zoeken hoeveel complexiteit in ons systeem kan ontstaan.’ Zijn team werkt nu aan een methode om de reactie, die afhankelijk is van een gevoelige balans tussen replicatie en afbraak, te automatiseren. ‘Op dit moment moet er nog voortdurend iemand bij zijn, wat de lengte van de experimenten beperkt.’

Uitvinden

Het nieuwe systeem opent de route naar meer complexe chemische evolutie. ‘Om echte Darwiniaanse evolutie te krijgen, die nieuwe dingen kan uitvinden, zijn complexere systemen nodig, met verschillende soorten bouwstenen’, zegt Otto. Zo’n systeem moet dan wel precies de juiste hoeveelheid variatie bevatten. ‘Wanneer er onbeperkte mogelijkheden om te variëren zijn, krijg je een systeem dat nergens heen gaat. Het produceert alleen maar kleine hoeveelheden van allerlei varianten.’ En een systeem met te weinig variatie kan niets nieuws voortbrengen.

Het resultaat dat is gepresenteerd in het nieuwe artikel laat zien dat complexiteit via evolutie kan ontstaan uit simpele bouwstenen. ‘We hebben nu een veelbelovende weg ontdekt, al is de route naar het produceren van kunstmatig leven door chemische evolutie nog lang’, aldus Otto. Maar hij heeft in ieder geval het monster verslagen dat die weg bewaakte.

Referentie: Shuo Yang, Gael Schaeffer, Elio Mattia, Omer Markovitch, Kai Liu, Andreas S. Hussain, Jim Ottelé, Ankush Sood and Sijbren Otto: Chemical Fueling Enables Molecular Complexification of Self‐Replicators. Angewandte Chemie 10 maart 2021.