Recept: oersoep op Darwins wijze

Uit een warm, vloeibaar mengsel van water en allerhande organische stoffen ontstond vier miljard jaar geleden het leven. Stukje bij beetje lukt het wetenschappers het recept van de oersoep te reconstrueren.

Heel lang was abiogenese, een geleerde naam voor het ontstaan van het leven uit niet-levende materie, omgeven door een kip-of-het-ei-probleem. Want wat was er nu eerst: DNA, of eiwitten? DNA is verantwoordelijk voor de opslag van erfelijke informatie in de cel, en dus is DNA onontbeerlijk voor de voorplanting van elk levend organisme. Eiwitten daarentegen zorgen voor de instandhouding van datzelfde leven: ze bouwen de structuren van de cel en spelen een cruciale rol in de verdubbeling van de DNA-strengen en de uitlezing van de erfelijke informatie. Eiwitten kunnen niet zonder DNA gesynthetiseerd worden, dus leven alleen op basis van eiwitten is uitgesloten. Langs de andere kant kan DNA geen enzymatische functies uitoefenen, en dus is DNA zonder eiwitten ook niet levensvatbaar. Ten slotte is de theoretische mogelijkheid dat DNA en eiwitten ongeveer gelijktijdig – onafhankelijk van elkaar – zijn ontstaan en elkaar op een blauwe maandag, ongeveer vier miljard jaar geleden, hebben gevonden, te onwaarschijnlijk om waar te zijn.

RNA-wereld
In de tweede helft van de jaren tachtig van vorige eeuw werd een oplossing voor dit lastige dilemma bedacht: zou er geen tussenvorm hebben bestaan die zowel erfelijke informatie kon opslaan als eiwitfuncties uitoefenen? Die tussenvorm zou een primitieve vorm van RNA zijn geweest, de op DNA gelijkende macromolecule die de erfelijke informatie vanuit de celkern overbrengt naar de ribosomen, de eiwitfabriekjes van de cel.

De Amerikaanse scheikundige en bioloog Walter Gilbert bedacht voor dit ontstaansscenario van het leven in 1986 een mooie naam: de RNA-wereld. Het geloof in het scenario van de RNA-wereld werd begin jaren negentig sterker toen bleek dat ribozymen – stukjes van ribosomen die een katalytische functie hebben – geen eiwitten zijn, maar ketens RNA. Die multifunctionaliteit van RNA kon maar op één conclusie wijzen: in onze cellen zitten fossielen van de RNA-wereld verstopt, de laatste getuigen van een wereld toen niet DNA of eiwitten de dienst uitmaakten, maar individuele RNA-ketens.

Maar een nieuwe hypothese bedenken over het ontstaan van het leven, komt niet zonder nieuwe problemen. De bedenkers van de RNA-wereld haalden zich tal van lastige vragen op de hals. RNA is immers een heel fragiele molecule, dus konden ze maar beter met overtuigende verklaringen komen voor de manier waarop die ‘naakte’ RNA-ketens indertijd de exotische omstandigheden van de oersoep hadden kunnen doorstaan – denk aan temperatuursschommelingen, elektrische ontladingen door blikseminslagen, verschillen in zuurgraad…. Daarnaast moesten ze ook zien uit te leggen hoe de ketens uit zichzelf konden groeien, hoe ze zichzelf konden kopiëren en vervolgens in tweeën splitsen – zodat er twee stukjes ‘dochter-RNA’ konden ontstaan. Maar bovenal moeten ze de hamvraag beantwoorden: hoe kunnen ongebonden RNA-ketens – of ze nu vrij rondzweefden in de oersoep of meeliften met een stukje mineraal – darwinistische selectie hebben ondergaan? Met andere woorden: welke natuurkrachten bepaalden of het ene stukje RNA sterker was dan het andere? Als je een hypothese doet over de oorsprong van het leven, ontkom je namelijk niet aan evolutie. De oersoep zal op de wijze van Darwin worden opgediend, of helemaal niet.

Protocellen nabouwen
Al die vragen zijn nog lang niet afdoende beantwoord. En op sommige vragen is zelfs nog geen voorzichtig antwoord geformuleerd. Het is ook geen dankbare klus, de oorsprong van het leven bestuderen als je je realiseert dat de oudste fossielen op aarde 3,5 miljard jaar oud zijn – die zijn dus ettelijke miljoenen jaren jonger dan het eerste leven. Maar er zijn genoeg wetenschappers die niet bij de pakken blijven neerzitten. In laboratoria wereldwijd wordt druk geëxperimenteerd met RNA-ketens, drijvend in een eigentijdse versie van de oersoep met ingrediënten zoals water, ionen, zuurstofradicalen en alle denkbare organische verbindingen.

Deze experimenten die allemaal de oorsprong van het leven willen achterhalen, zijn het summum van wetenschappelijke spielerei. Hier geen doordachte theorieën of hypothesen die moeten te worden getoetst. Onderzoekers spelen wat met ingrediënten waarvan ze in de verste verte niet weten of ze in de originele oersoep aanwezig waren – en vervolgens zien ze wel wat er gebeurt. Dat allemaal in de hoop dat op een dag in hun petrischaal spontaan moleculen beginnen samen te klitten en genen worden vormen, waarna primitieve cellen of ‘protocellen’ ontstaan. Als die protocellen zich dan ook nog eens blijken te vermenigvuldigen en bovendien tekenen van evolutie vertonen, mag de onderzoeker een telefoontje uit Stockholm verwachten.

Nochtans garandeert de succesvolle creatie van zelfreplicerende cellen uit een mengsel van niet-levende ingrediënten niet dat ook het leven op aarde uit die welbepaalde ingrediënten is ontstaan. ‘Maar zo’n experiment zou ons wel een erg plausibele verklaring leveren van de manier waarop de chemie de overstap heeft gemaakt naar de biologie’, zegt de Amerikaanse moleculair bioloog Jack Szostak deze week in Science. ‘Het is goed mogelijk dat het in het lab niet helemaal op dezelfde manier gebeurt, maar we zouden wel een hele stap verder komen in de ontrafeling van het vraagstuk hoe het leven is ontstaan.’ Szostak is niet de eerste de beste. Hij kreeg in 2009 de Nobelprijs voor de Geneeskunde voor zijn onderzoek naar telomeren, de uiteinden van chromosomen die een cruciale rol spelen bij de celdeling. Dat onderzoek dateert echter van vóór de millenniumwisseling, want sedert tien jaar is Szostak volop bezig met de reconstructie van het oudste recept op aarde: dat van de oersoep waaruit vier miljard jaar geleden het leven is ontstaan.

Lekkende membranen
Mede dankzij het werk van Szostak heeft de RNA-wereld de voorbije jaren enkele geheimen moeten prijsgeven. Dat van de ‘lekkende membranen’ bijvoorbeeld, die de RNA-ketens zouden omgeven (en beschermd) hebben in de oersoep – helemáál naakt zwommen ze dus niet. Deze membranen zouden zo de structuur van de protocellen hebben afgebakend. Szostak: ‘Onze (moderne) cellen hebben haast ondoordringbare celmembranen. Alleen via vernuftige eiwitpompen en –sluizen kunnen moleculen in en uit de cel worden getransporteerd.’

Szostak en z’n collega’s stelden in 2008 voor de protocellen een heel ander membraan voor, een vliesje dat lekt als een gieter. Bestaande uit eenvoudige vetzuren zou dit membraan de doorgang mogelijk maken van aminozuren, anorganische ionen en individuele stukjes RNA. Binnenin de protocel konden zich dan RNA-ketens vormen die te groot waren om nog naar buiten te kunnen. Bovendien bleken de membranen ook nog eens te groeien als er extra vetzuren werden toegevoegd. De vetzuren bliezen de protocellen zozeer op totdat ze, onder invloed van hitte of mechanische stress, in tweeën splitsen – waarbij elke dochterprotocel een deel van het RNA kreeg.

Maar hoe konden de RNA-ketens binnenin de protocellen zichzelf dan kopiëren – immers, een van de kernvoorwaarde van het gen is dat er erfelijke informatie wordt doorgegeven, en dus moet dat erfelijke materiaal in de moedercel in tweevoud aanwezig zijn. Andere onderzoeksgroepen hebben enkele jaren geleden een belangrijk ingrediënt van de oersoep (nog één) geïdentificeerd dat ervoor zorgt dat individuele blokjes RNA zich in snel tempo aan een RNA-sjabloonketen binden: magnesiumionen. Helaas rees er onmiddellijk één groot probleem: magnesiumionen zijn nefast voor de protocellen, want ze knippen de membranen uit vetzuren helemaal kapot.

Citroenzuur
In de onderzoeksgroep van Szostak werd gezocht naar een oplossing, in de vorm van een nieuwe stof die de magnesiumionen ‘net genoeg’ in bedwang hield zodat ze niet de hele protocel uit elkaar zouden halen, maar die ze toch ook voldoende vrijheid verschafte om het RNA-kopieerproces te blijven stimuleren. Honderden nieuwe ingrediënten werden aan de oersoep toegevoegd, zonder resultaat. Tot Katarzyna Adamala, een doctoraatsstudente van Szostak, een nochtans heel bekende organische verbinding aan de oersoep toevoegde: citroenzuur. Het bleek de magnesiumionen perfect op hun plaats te houden. Moderne biologische cellen bevatten ook citroenzuur, maar daar heeft het een heel andere functie. Dat zou betekenen – als het eerste leven inderdaad ook citroenzuur bevatte om de magnesiumionen te temmen – dat het goedje in onze cellen een fossiel overblijfsel is van de eerste protocellen. Het leverde Adamala en Szostak een eervolle publicatie op deze week in Science, waarin ze het nieuwste ingrediënt van de stelselmatig rijker wordende oersoep uit de doeken doen.

De komende jaren hopen wetenschappers als Jack Szostak volwassen protocellen op te kweken in hun lab. Cellen die niet alleen kunnen delen en zich voortplanten, maar die ook onderhevig zijn aan evolutionaire veranderingen. Als dat lukt, komt stilaan het einde in zicht van de lange zoektocht naar de oorsprong van het leven. Of zoals de Britse moleculair bioloog John Sutherland in een commentaarstuk in Science opmerkt: ‘Het is alsof je een kruiswoordpuzzel invult. In het begin weet je niet goed waar te beginnen. Maar naarmate je steeds meer woorden hebt gevonden, komt de voltooiing van de puzzel almaar sneller in zicht.’

Dit artikel verscheen ook in Eos Weekblad. Elke vrijdag bieden we u een nieuwsgedreven weekblad, gelardeerd met beeld en geluid. De Eos-app kunt u gratis downloaden (iOS en Android). Met die app haalt u de wekelijkse uitgaven gratis binnen, en kunt u ook Eos Magazine, Psyche&Brein en Eos Memo kopen.