De zoektocht naar het ‘DNA’ van buitenaards leven

Pak een willekeurige cel uit je lichaam en in het midden van de celkern vind je een meterslang molecule, opgerold tot de grootte van enkele micrometers in een eindeloos aantal kronkels. Dat is je DNA. Het is de genetische code waarin alle informatie ligt opgeslagen die nodig is om jou te bouwen. Op aarde bevat ieder levend organisme DNA. Van de bacterie op je wc-bril, tot je kamerplant, tot de buurman twee deuren verder.

Stel dat we eindelijk stuiten op een levend wezen afkomstig van een andere planeet. Zou dit wezen ook uit DNA voortkomen? Zou het gebouwd zijn met precies hetzelfde soort molecule als al het leven op aarde? Nu de zoektocht naar buitenaards leven zich steeds verder ontwikkelt, is dit een vraag waar wetenschappers zich serieus over buigen.

Noodzaak en toeval

Op aarde lijkt het hebben van een genetische code een vereiste, een basisingrediënt voor leven. Is dat elders in het universum ook zo? Heeft ieder levend organisme in het heelal een genetische code nodig? ‘Ongetwijfeld’, zegt Vincent Icke, theoretisch sterrenkundige aan de Universiteit Leiden, die een boek schreef over de vraag wat we ongeveer kunnen aantreffen, mochten we ooit op buitenaards leven stuiten.

Volgens Icke is een genetische code absoluut nodig. Dat heeft alles te maken met de manier waarop leven ontstaat en zich verder ontwikkelt. ‘Eigenlijk weten we over buitenaards leven vrijwel niks’, begint hij. ‘Maar op basis van wat we wel weten, kunnen we beredeneren dat een aantal dingen een rol moeten spelen.’

Als eerste weten we dat leven op aarde is gebouwd uit gewone atomen. Atomen die overal in het heelal voorkomen. Dat geldt vrijwel zeker ook voor buitenaards leven. Ten tweede is het moeilijk voorstelbaar dat leven kan bestaan zonder evolutie. ‘Om tot de ontwikkeling van leven te komen, moet er verbetering plaatsvinden. Iets moet zich kunnen aanpassen aan de omstandigheden van die planeet. Op aarde gebeurt dat in de vorm van evolutie.’

Evolutie is een combinatie van noodzaak en toeval, legt Icke uit. Toeval is wat zomaar kan gebeuren. Noodzaak bepaalt dat chemische stofjes, gegeven de wetten van de scheikunde, nu eenmaal op een bepaalde manier met elkaar reageren. Toeval en noodzaak zorgen er samen voor dat organismen ontstaan, en dat die zich stapje voor stapje beter aanpassen aan de omgeving. ‘Het is daarvoor absoluut noodzakelijk dat we op de een of andere manier informatie van de ene generatie naar de andere doorgeven. En dat betekent dat je iets als een genetische code nodig hebt.’

Lookalike waarschijnlijk

Een molecule met een genetische code lijkt voor een levensvatbaar organisme noodzakelijk. In ons geval is dat desoxyribonucleïnezuur, DNA. Het heeft de vorm van een lange schakelketting, waarbij iedere schakel bestaat uit drie onderdelen. Het eerste is een fosfaatgroep, bestaande uit fosfor en vier zuurstofatomen. Het tweede vormt de suikergroep desoxyribose. Het derde bestaat uit nucleobasen, die voorkomen in vier typen: A, T, G en C. De volgorde van de nucleobasen fungeert als code. Die code wordt afgelezen door RNA of ribonucleïnezuur. RNA-molecules lijken in structuur op DNA, maar bevatten een andere soort suikergroep. Met RNA worden op basis van de code uit het DNA alle nodige eiwitten in het lichaam gebouwd.

Hoe zou dit in zijn werk gaan bij leven buiten de aarde? Is een organisme op een andere planeet ook gebouwd op DNA? De kans dat het om exact dezelfde molecule gaat, is niet zo groot, denkt Icke. Maar het is wel waarschijnlijk dat zo’n molecule in samenstelling of structuur veel op DNA lijkt. ‘DNA is opgebouwd uit hartstikke gewone atomen. Stikstof, koolstof, waterstof, zuurstof: overal in het heelal liggen ze voor het oprapen.’ De kans is groot dat een ander soort genetisch molecule ook grotendeels uit deze stoffen bestaat. Daaruit volgt logischerwijs dat de bouw van de structuur niet in extreme mate kan afwijken, legt Icke uit. ‘Omdat atomen zo hun beperkingen hebben, geven ze altijd weer aanleiding tot dezelfde soort moleculen.’ Gegeven de wetten van de scheikunde, zijn er niet oneindig veel manieren waarop die atomen aan elkaar vastbinden.

Ook Piet Herdewijn, scheikundige aan de KU Leuven, denkt dat buitenaards ‘DNA’ in structuur weinig afwijkt. ‘Als de betreffende planeet vergelijkbaar is met de aarde’, voegt hij daaraan toe. ‘Als ze net als de aarde een zuurstofrijke atmosfeer heeft en rijk is aan water, dan zal de basisstructuur weinig afwijken.’ Dan is het waarschijnlijk dat ze uit componenten bestaat die vergelijkbaar zijn met de fosfaatgroep, de suikergroep en de nucleobasen. ‘DNA is gemaakt om leven voort te brengen in dit soort omstandigheden.’

De samenstelling van het molecule van atomen kan iets verschillen, maar waarschijnlijk heeft het vergelijkbare chemische eigenschappen. Dit durft Herdewijn niet te zeggen in het geval er leven bestaat in een compleet ander soort omgeving. Op een planeet met een extreme temperatuur, extreem hoge druk of oceanen die niet bestaan uit water, maar uit ammoniak bijvoorbeeld. Waar kan daar het leven op gebouwd zijn? ‘Tja, dan kan het van alles zijn. Dat is eigenlijk niet te zeggen’, concludeert Herdewijn.

Moleculen in de mix

Iets wat lijkt op DNA, maar dan anders. Dat is wat we ongeveer verwachten als we een buitenaards wezen tegen het lijf lopen. Hoe zo’n alternatieve versie er dan uitziet? We weten het niet, zegt Icke. Maar je kan er wel over speculeren. ‘DNA bestaat voor het grootste deel uit de gewoonste atomen. Maar, DNA bevat ook fosfor. En dat komt niet zoveel voor. Het eerste wat naar mijn smaak daarom anders kan zijn, is dat op de plaats van fosfor een ander soort atoom zit.’ Dit is speculeren vanuit een sterrenkundig oogpunt, benadrukt Icke. ‘Misschien dat een scheikundige wel zegt: dat is een idiote gedachte.’

Steven Benner is zo’n biochemicus, verbonden aan de Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida. Hij onderzoekt op wat voor moleculen een genetische code kan werken. ‘Wij speculeren niet alleen welke moleculen wel of niet kunnen functioneren als genetisch materiaal. We bouwen ze en testen dan of ze werken.’ Hiermee zijn laboratoria zoals dat van Benner al ruim dertig jaar bezig.
‘Fosfor hebben we met van alles en nog wat geprobeerd te vervangen, maar dat liep op niks uit.’ Het lijkt er dus op dat de fosfaatgroep een essentieel onderdeel is van een genetisch molecule. Dat lijkt niet te gelden voor de suikergroep desoxyribose. In 2012 bouwden Herdewijn en zijn collega’s een aantal versies waarbij ze desoxyribose vervingen door alternatieve suikergroepen. Met deze suikergroepen was het ‘DNA’ nog altijd in staat genetische informatie te coderen en over te brengen op een volgende generatie.

Begin dit jaar slaagde Benner erin nog een functionerende alternatieve versie van DNA te maken. In een samenwerking met een Japans laboratorium, gefinancierd door NASA, ontwikkelde hij een genetisch molecule met een aangepaste set van nucleobasen. Dit DNA bevatte niet alleen de gebruikelijke vier basen, aangeduid met de letters A, G, C, T. Ze voegden aan de structuur nog eens vier extra synthetische basen toe. In totaal werden het er acht. Vandaar dat deze alternatieve versie de naam Hachimoji kreeg, Japans voor acht-letterig. Dit molecule was in staat genetische informatie te coderen en over te brengen.

Het werk van Herdewijn en Benner bewijst niet dat we ergens in het heelal levende organismen met deze typen ‘DNA’ kunnen vinden. Het laat wel zien dat DNA niet als enige molecule in staat is als genetisch materiaal te functioneren. En dat maakt ons, of het ontstaan van leven, misschien wat minder uniek dan we dachten.

Een sterk trio

Aan de samenstelling van de moleculen in DNA kan je mogelijk wat rommelen. Daarnaast durft Icke te speculeren over de ruimtelijke structuur. Op aarde heeft DNA twee strengen die samen een helix vormen, als een soort spiraalvormige wenteltrap. Voor buitenaards ‘DNA’ kan de ruimtelijke structuur er heel anders uitzien. ‘Het is best denkbaar dat buitenaards DNA bijvoorbeeld drie strengen heeft’, vertelt Icke.

We weten dat moleculair gezien zo’n structuur met drie strengen mogelijk is. ‘Trek maar eens een haar uit je hoofd. Haar is opgebouwd uit keratine. Het molecule van keratine heeft net als DNA de vorm van een soort spiraalvormige wenteltrap, maar dan met drie strengen’, vertelt Icke. ‘In dit geval gaat het om een eiwit, en geen coderend molecule. Maar dat maakt niet uit. Het punt is dat we weten dat de geometrische vorm van zo’n drie-strengs molecule kan bestaan.’

Drie-strengs DNA zou ook nog eens een boel voordelen kunnen hebben, zegt Icke. Zo is het mogelijk beter bestand tegen genmutaties. ‘Als je drie strengen in een DNA-molecule hebt, ontstaat een soort correctiesysteem voor fouten’, legt Icke uit. Stel dat bij ons twee-strengs DNA een van de twee basen in een basepaar muteert. Dan ziet het RNA bij het aflezen van de code wel dat er iets niet klopt, maar het kan niet bepalen welke van de twee basen de juiste is, en welke is gemuteerd.

‘Wie van de twee ‘gelijk’ heeft, valt niet te zeggen. Het wordt een soort welles-nietes-verhaal’, zegt Icke. Met drie-strengs DNA wordt dat anders. Als twee van de drie basen in een drietal nog hetzelfde zijn en een ervan is gemuteerd, dan kan je ervan uitgaan dat het tweetal ‘gelijk’ heeft. Dan kan je die ene gemuteerde base corrigeren.

Daarnaast is het goed denkbaar dat drie-strengs DNA heel stabiel is, voegt Icke toe. Het drie-strengs molecule van keratine is ook ontzettend stabiel. Vandaar dat haar zo langzaam vergaat. Er zijn mummies van duizenden jaren oud met al het haar nog op hun hoofd. Wat het voordeel kan zijn van die stabiliteit? Een stabielere versie van DNA zou bijvoorbeeld van pas kunnen komen op een planeet met sterke kosmische straling, denkt Icke. Die straling is immers schadelijk voor DNA.

‘Op aarde worden we goed tegen kosmische straling beschermd door het aardmagneetveld, maar dat zal niet bij elke planeet zo zijn.’ Aan de andere kant heeft drie-strengs DNA ook een nadeel: je hebt anderhalf keer zo veel bouwmateriaal nodig.

Omgeving bepaalt vorm

Stel dat buitenaards leven een heel ander type genetische code heeft, met drie strengen, acht baseparen, of wat je maar kunt verzinnen. Zou het er dan ook fundamenteel anders uitzien? Zou het onherkenbaar zijn voor ons aardse idee van leven? ‘Ik denk het niet’, zegt Icke. ‘Hoe wij eruitzien bepalen grootschalige dingen. De materialen waarmee wij moeten omgaan. Hoe we voedsel tot ons nemen. Of we in het water leven of op het land. Enzovoort. Op moleculair niveau kan je dan wel een andere code hebben, maar op groot niveau zullen eigenschappen veel vergelijkbaarder zijn.’

Dit idee zie je ook terug op aarde. Je ziet hier organismen die genetisch gezien helemaal niet op elkaar lijken, maar toch in vorm overeenkomen. En dat is het gevolg van de eigenschappen van hun omgeving, legt Icke uit. ‘Neem bijvoorbeeld de vleermuis en de vogel.’ Deze diersoorten zijn verre van familie, maar beide hebben in de evolutie vleugels gekregen en in vorm verschillen ze weinig. Vleugels blijken nu eenmaal bruikbaar gereedschap als organismen zich willen voortbewegen in de lucht. Ook in de oceaan zorgen de omstandigheden voor overeenkomsten. ‘Een haring en een dolfijn hebben vrijwel dezelfde vorm. Dat komt door de eigenschappen van het water’, zegt Icke.

De noodzaak om dezelfde vormen of eigenschappen te ontwikkelen, dwingt de natuurkunde af. ‘De noodzaak op een bepaalde manier met de omgeving om te gaan, is op een andere planeet hetzelfde. Als ergens op een aarde-achtige planeet geavanceerd leven is geëvolueerd, geef ik je op een briefje dat daar vogels voorkomen die vergelijkbaar vliegen als de vogels op aarde.’

Ieder z’n vakje

Ook op een kleiner niveau zou de bouw van een organisme vergelijkbare eigenschappen hebben, denkt Herdewijn. ‘Het is niet gezegd dat het gebouwd moet zijn met dezelfde moleculen of dezelfde eiwitten als de onze. Maar wat je waarschijnlijk wel zult zien, is een vorm van compartimentalisering.’ De metabolische processen van een organisme vinden waarschijnlijk plaats in aparte ‘vakjes’. In zo’n vakje kunnen moleculen als enzymen ongestoord hun werk doen. Op aarde bestaan organismen daarom uit een of meer cellen. Hoewel buitenaards leven dus van een heel ander bouwmateriaal gemaakt kan zijn, bestaat het waarschijnlijk net als bij ons uit cellen.

Als het ooit zover komt dat we buitenaards leven aantreffen, is de kans overigens groot dat het eencelligen zijn. ‘Bij ons op aarde bestaat ook het grootste deel van biomassa uit eencellig groen slijm’, zegt Icke. ‘De algen en de wieren, eencellige microben en andere troepjes langs de rand van de oceanen. Dat is ook ongeveer wat ik verwacht aan te treffen op een andere planeet met leven: een schuim van eencelligen.’

DNA-test tussen de sterren

Je kan je afvragen waarom het überhaupt nuttig is na te denken over buitenaardse genetica en waarom wetenschappers zich ermee bezighouden. Daar zijn verschillende redenen voor. Als eerste kan het ons meer leren over de vraag hoe leven ontstaat, beaamt zowel Benner als Icke. Ook hoe het leven hier ooit precies begonnen is, blijft een onopgelost mysterie. Volgens Benner kan het nadenken over de bouwstenen van buitenaards leven onze aard-centrische blik op leven verruimen.

Daarbij kan kennis over buitenaardse genetica van pas komen bij de zoektocht naar buitenaards leven. Ruimteagentschappen als het Amerikaanse NASA en het Europese ESA werken aan missies om te zoeken naar leven op planeten als Mars, Europa of Enceladus. Dan is het nuttig te weten waarnaar je ongeveer zoekt. Volgens Benner kan het onderzoek helpen betere instrumenten te ontwikkelen voor de detectie en analyse van buitenaardse organismen. ‘Niet voor niks financiert NASA ons onderzoek’, zegt Benner. ‘Voor de zoektocht naar buitenaards leven is het essentieel te begrijpen hoe het eruit kan zien.’