Klik hier voor de PDF

Hoe maak je iets uit niets?
Basisrecept voor het leven
De oorsprong van het leven op aarde is nog steeds een groot raadsel.
Koppige wetenschappers proberen met vallen en opstaan het recept
Heruitvoering van
het experiment uit
de jaren 1950 dat
aantoonde dat organische molecules
kunnen ontstaan uit
de oersoep.
van het leven te achterhalen, stap voor stap, molecule per molecule.
Door Tim VERNIMMEN
Eos 90
Eos 91
‘K
erf een inkeping in een baksteen, vul ze met gemalen
basilicum, en bedek de baksteen met een andere, zodat
de inkeping volledig is afgesloten. Leg de
twee stenen in de zon, en binnen een paar
dagen zal je merken dat de dampen van de
basilicum, die als rijsmiddel fungeren, het
plantaardig materiaal in heuse schorpioenen
getransformeerd hebben.’
De 17de-eeuwse Vlaamse alchemist Johannes Baptista van Helmont was de bedenker
van het woord ‘gas’, de ontdekker van koolstofdioxide en de eerste die experimenteel
aantoonde dat bomen niet groeien door de
aarde rondom hun wortels in eigen weefsel
om te zetten – niet de eerste de beste dus.
Daarnaast had de man echter ook enkele bizarre hobby’s, zoals het ambachtelijk bereiden van allerlei ongedierte – muizen maken
met een vuil hemd en enkele graankorrels
was een van zijn succesnummers. Anno 2011
had men hem vast een eigen kookprogramma
aangeboden.
Het idee dat levende wezens spontaan opduiken uit dode materie was tot diep in de 19de
eeuw wijdverspreid, ook onder wetenschappers, zij het dat dat geloof sinds de ontdekking van de microscoop aan het einde van de
17de eeuw vooral micro-organismen betrof.
Pas dankzij de experimenten van Louis Pasteur, die (nochtans niet als eerste) aantoonde dat er geen micro-organismen groeien in
doorgekookte mengsels waar wel lucht maar
geen stof aan kan, werden de woorden ‘Omne
vivum ex vivo’ in steen gehouwen: alle leven
(ontstaat) uit (ander) leven.
Prima werk van Pasteur, maar er rest natuurlijk een probleem: ofwel is dat leven ingezaaid
door één of ander opperwezen (wat bepaald
onwaarschijnlijk is, want waar kwam dat dan
weer vandaan?), ofwel hebben levenloze moleculen toch ergens in een ver verleden al hun
moed bij elkaar geraapt om samen het leven
te lanceren: spitsvondige wezens die zichzelf
in stand houden en, beter nog, voortplanten,
en aan hun nakomelingen de nodige informatie meegeven om hetzelfde te doen.
Dat lukt de ene al wat beter dan de andere,
wat leidt tot natuurlijke selectie, die er de
meest geschikte levensvormen uitpikt en zo
vorm geeft aan het proces dat we evolutie
noemen, met de huidige verbluffende verscheidenheid aan levensvormen tot gevolg.
Prachtig systeem is dat. Maar, vragen mensen
zich al duizenden jaren vertwijfeld af, hoe begín je daaraan?
Oersoep
Met een elegante constructie van steriele glazen buisjes en flacons, een paar elektroden,
en enkele heel eenvoudige chemische verbin-
cifieke driedimensionale structuur, die bijna
volledig is opgebouwd uit ‘linkshandige’ aminozuren. De aanwezigheid van hun rechtshandige tegenhangers is zeer vervelend, want
die zijn er net zozeer op uit om te reageren
met het uiteinde van een eiwit in aanbouw,
waardoor dat in zijn geheel onbruikbaar zou
worden.
Louis Pasteur toonde aan dat er geen micro-organismen groeien in doorgekookte
mengsels waar wel lucht maar geen stof aan kan.
dingen, zoals water, methaan, ammoniak, en
waterstofgas, zo bedachten Stanley Miller en
Harold Urey van de Universiteit van Chicago
in de jaren 1950. Ze vertrokken daarbij van
de ideeën van Aleksandr Oparin en J.B.S. Haldane over de toestand op aarde toen er van
leven nog geen sprake was.
Naar analogie met de vermoedelijke invloed
van onderzees vulkanisme verhitten ze het
mengsel in één van de flacons tot het verdampte, waarna het in een volgende flacon
werd blootgesteld aan de overslaande vonken
tussen de twee elektroden (dat moest de blik-
zuren, de elementaire bouwstenen van de
eiwitten die in levende wezens zo goed als al
het werk doen. Meer nog: alle levensbelangrijke aminozuren, een twintigtal zijn er dat,
werden aangetroffen in wat al gauw voor ‘de
oersoep’ zou doorgaan. De vraag naar de oorsprong van het leven leek heel even opgelost.
Er was echter een probleem met de aminozuren van Miller en Urey. Aminozuren komen
namelijk voor in twee verschillende vormen,
met een andere schikking van de bouwstenen
rondom het centrale koolstofatoom, waardoor ze elkaars spiegelbeeld vormen, zoals
Het idee dat levende wezens spontaan
op­duiken uit dode materie was
wijdverspreid, ook onder wetenschappers
sem voorstellen) en nadien weer werd afgekoeld. En vervolgens opnieuw verdampt. En
opnieuw. Enzovoort, een hele week lang.
Aan het einde van de week, stelden de beide
heren vast, was al meer dan tien procent van
de koolstofatomen uit de methaanmoleculen
in ‘organische’ verbindingen beland, gewoonlijk met het leven geassocieerde moleculen
dus, waarvan ongeveer een vijfde in amino-
Eos 92
onze linker- en rechterhand dat doen. Bij
spontane chemische reacties, zoals die tijdens het experiment, ontstaan er van beide
vormen gemiddeld evenveel moleculen – het
resultaat is dus mooi half-om-half.
Levende wezens die bruikbare eiwitten willen
bouwen kunnen echter niet zomaar willekeurig grabbelen uit dat mengsel. De proteïnen
in onze cellen hebben namelijk een zeer spe-
Twee linkerhanden
In onze cellen zijn er mechanismen om dergelijke incidenten te voorkomen, maar wie wil
weten hoe ooit de eerste bruikbare proteïnen
het licht hebben gezien moet een mechanisme vinden dat mengsels in staat stelt zichzelf
automatisch te zuiveren van moleculen met
de ongewenste vorm. Dat gebeurt vermoedelijk in twee stappen: eerst wordt het evenwicht verbroken, waardoor een van de twee
vormen een kleine meerderheid verwerft, en
dat overwicht leidt dan vervolgens tot een
onvermijdelijk proces dat de andere vorm volledig elimineert.
Levende wezens zijn daarvoor niet vereist: na
nog maar eens een analyse van de Murchison-meteoriet (zie ‘De meteoriet van Murchison’) in 1997 bleek dat linkshandige aminozuren daarop ruim in de meerderheid waren.
Dat wil echter niet zeggen dat het leven uit de
lucht gevallen is, zoals sommigen met grote
stelligheid beweren.
Enkele jaren geleden demonstreerde de
Spaanse geoloog Cristóbal Viedma namelijk
dat het vervaardigen van zuivere mengsels
niet verschrikkelijk ingewikkeld hoeft te zijn:
na het herhaaldelijk vermalen en herkristalliseren van kristallen van het inmiddels verboden herbicide natriumchloraat bleven uiteindelijk alleen links- of rechtshandige kristallen
over – de eerste nieuwe methode voor het
verkrijgen van zuivere kristallen sinds Louis
Pasteur (alweer hij) in 1848 met een pincet
eigenhandig de twee verschillende kristal-
vormen van wijnsteenzuur uit elkaar plukte.
Uit Brits onderzoek onder leiding van de
Amerikaanse Donna Blackmond bleek later
dat hetzelfde ook lukt met bepaalde aminozuren die uit zichzelf zuivere kristallen vormen.
Als er tenminste een stof wordt toegevoegd
die ervoor zorgt dat de concentratie van beide
vormen in de bijbehorende oplossing dezelfde is. Het werkt overigens ook omgekeerd: bij
aminozuren waarvan de kristallen beide vormen gelijkmatig opnemen, volstaat een klein
overschot van een van beide gewoonlijk om
na uitkristallisatie een zuivere oplossing over
te houden. Al bij al niet zo heel moeilijk dus.
De kip of het ei(wit)
Het bekomen van zuivere ingrediënten voor
de bereiding van de basisbestanddelen van
het leven blijkt dus niet onoverkomelijk.
Helaas is er vervolgens ook een recept nodig, een leidraad die aangeeft hoe bruikbare
proteïnen er horen uit te zien, want zelfs al
ontstaat er zo nu en dan geheel toevallig een
zeer geschikt exemplaar, als dat vervolgens
zoek aan de Universiteit van Colorado dat het
wel eens geen van beide zou kunnen zijn. Biochemicus Thomas Cech en zijn collega’s deden
daar onderzoek naar een aan het DNA verwante molecule die veel minder in de belangstelling staat: RNA. Ribonucleïnezuur is, zoals de
naam al aangeeft, op enkele kleinigheden na
identiek aan DNA. Maar het bestaat slechts uit
één enkele streng nucleotiden, de gewoonlijk
door letters gesymboliseerde bouwstenen van
de genetische code, terwijl DNA er twee heeft.
DNA, dat verantwoordelijk is voor de overerving van de informatie uit de genen en dat
gewoonlijk ligt opgeslagen in de celkern,
wordt daar beetje bij beetje overgeschreven
op RNA-moleculen die men boodschapperRNA noemt. Die dienen vervolgens als bouwplan voor het in elkaar puzzelen van de in het
DNA gecodeerde eiwitten. Dat gebeurt door
de ribosomen, celorganellen die grotendeels
uit eiwitten zijn opgebouwd. Maar het grootste deel van het werk dat ze verrichten, is in
handen van zogenoemd ribosomaal RNA.
Het aanleveren van de benodigde aminozuren
Alle belangrijke aminozuren werden
aangetroffen in de oersoep
even gezwind weer verdwijnt, is het waardeloos. Innovaties moeten bewaard blijven,
anders is evolutie uitgesloten. Dat gebeurt
in huidige cellen gewoonlijk in de vorm van
DNA, desoxyribonucleïnezuur, een behoorlijk complexe molecule die je niet zo maar
één, twee, drie tevoorschijn tovert – daar
heeft de cel namelijk, inderdaad, aangepaste
proteïnen voor. Wetenschappers die de oorsprong van het leven willen achterhalen zitten dus met een kanjer van een ‘de kip of het
ei’-, of beter, ‘het gen of het eiwit’-vraagstuk.
Begin jaren 1980 bleek uit opmerkelijk onder-
is dan weer voor rekening van nog een derde
type RNA, het transfer-RNA.
RNA kan het zelf
Hoewel er uiteraard onderlinge verschillen
zijn tussen de drie RNA-types blijkt al uit zijn
rol in de cel dat RNA een behoorlijk flexibele
molecule is. Dat geldt ook letterlijk, want het
is precies de mogelijkheid om zich in allerlei
bochten te wringen die RNA in staat stelt al
die verschillende functies te vervullen, iets
wat de veel stijvere dubbelstrengige DNAmolecule niet zou kunnen.
De meteoriet van Murchison
Op 28 september 1969 om 10.58 uur was een heldere vuurbal te zien boven Zuidoost-Australië. Dertig seconden later sloegen de brokstukken van een meteoriet
in op een gebied van meer dan dertien vierkante kilometer, nabij het plaatsje
Murchison. Men ging verwoed aan het verzamelen, en alle stenen bij elkaar wegen
meer dan honderd kilogram. Meer dan genoeg materiaal dus voor onderzoek.
De Murchison-meteoriet behoort tot de groep van de koolstofchondrieten, en dat
maakt hem des te interessanter om naar elementen te zoeken die op leven wijzen.
Hij is niet alleen rijk aan koolstof, maar ook aan calcium en aluminium. Het is een
van de chemisch meest primitieve stukjes materiaal die de aarde hebben bereikt
– met zijn 4,6 miljard jaar is hij zowat even oud als onze zon. Wetenschappers denken dat de meteoriet zich een weg baande door de eerste oerwolken van ons zonnestelsel, en daar chemicaliën heeft opgepikt.
Intussen zijn er meer dan honderd aminozuren in ontdekt die op aarde de basisingrediënten vormen voor leven. Zoals glycine, alanine en glutaminezuur, die behoren tot de twintig ‘essentiële aminozuren’.
Eos 93
RNA maken
Het idee van de ‘RNA-wereld’ worstelde tot
voor kort echter met één levensgroot probleem: terwijl Miller en Urey in de jaren vijftig
vlotjes twintig aminozuren bij elkaar kookten, slaagde men er maar niet in om in het
lab de bestanddelen van RNA (nucleotiden
dus) te bereiden op een manier die ook op de
levenloze aarde haalbaar zou zijn geweest.
Nucleotiden zijn opgebouwd uit een aantal
fosfaatgroepen, een suikermolecule (ribose,
vandaar de naam) en een zogenoemde nucleobase, waarvan er vier verschillende bestaan: cytosine (C), guanine (G), adenine (A)
en thymine (T) (eigenlijk zijn het er vijf, want
thymine wordt in RNA vervangen door uracil
(U), maar dat laatste is voor de codering van
weinig belang).
Ribose en nucleobasen maken in het lab lukt
nog wel, maar die twee vervolgens aan elkaar
plakken bleek ontzettend moeilijk – zo moeilijk dat het de hele RNA-hypothese op de hel-
De eencellige Tetrahymena
thermophila heeft geen
eiwitten, maar dankzij
zijn RNA kan hij zich toch
voortplanten.
ling zette. In 2009 kwam er echter bevrijdend
nieuws uit het lab van de Brit John Sutherland
aan de Universiteit van Manchester. Waarom
het zo lang geduurd heeft? ‘Biochemici denken gewoonlijk achterstevoren’, legt Sutherland uit. ‘In hun hoofd breken ze ingewikkelde organische moleculen op in kleine stukjes
die ze dan vervolgens in het lab weer aan elkaar proberen te zetten.’ In het geval van de
nucleotiden lijkt dat zeer eenvoudig: een fos-
volgens laat reageren met de overblijvende
onderdelen, dan lukt het wel.’ Dat men dáár
niet eerder was opgekomen!
Deze vondst illustreert nog maar eens hoe
moeilijk het is om de oorsprong van het leven te achterhalen: wie zich te veel laat leiden door wat er in de handboeken staat, zal er
niet geraken, want de verbindingen die nu alomtegenwoordige bouwstenen zijn geworden
zijn ooit bijna per ongeluk ontstaan – en pas
Vetzuren vormen spontaan blaasjes,
die nucleotiden in zich opnemen – een
belangrijke stap in de vorming van de cel
faatgroep, een ribose en een nucleobase, en
proberen maar.
‘Toen we vijftien jaar geleden over dit probleem begonnen na te denken viel het ons op
dat men de hele tijd enkel deze meest voor
de hand liggende route had gevolgd, om dan
vervolgens te concluderen dat er geen doorkomen aan was’, vertelt hij. ‘Wat volgt is een
heksenketel vol organische verbindingen,
maar waar het op neerkomt is dit: als je eerst
een deel van het ribose en een stukje van de
nucleobase met elkaar verbindt, en die ver-
Eos 94
nadien omwille van hun grote bruikbaarheid
heel algemeen geworden. Het komt er dus op
aan om ‘out of the box’ te denken.
Concentratie vereist
De spreekwoordelijke doos is overigens niet
het enige waarin de denkpatronen van biochemici gevangen kunnen raken: er is ook
nog de proefbuis, of, voor een beetje meer bewegingsvrijheid, de elegante glazen constructie van Miller en Urey. Het is in die knusse
omgeving voor een aantrekkelijke molecule
namelijk vrij eenvoudig om een interessante
partner te ontmoeten waarmee ze een verbinding kan aangaan. Dat is ‘in het wild’ wel even
anders: prachtige nieuwe moleculen zouden
zo wegdrijven in de eindeloze oersoep.
Er is dus nood aan een mechanisme dat al dat
moois bij elkaar houdt – een oersoepkom, zo
u wil. Dat is precies wat Charles Darwin al
suggereerde: een ‘kleine, warme waterplas’,
door de getijden ergens aan de rand van de
oceaan achtergelaten, die langzaamaan verdampte (of bevroor) en waarin de concentratie organische moleculen gaandeweg steeds
hoger werd. Een andere mogelijkheid is wat
men adsorptie noemt: bepaalde mineralen
houden aan hun oppervlak organische voorbijgangers vast, wat op termijn kansen creëert
om samen een wat ambitieuzere molecule te
vormen.
Ook de befaamde hydrothermale bronnen,
onderzeese scheuren in de aardkorst waaruit
heet water opspuit, bieden mogelijkheden.
In de buurt van dergelijke bronnen vormen
zich namelijk poreuze gesteenten met binnenin onmetelijke doolhoven van kleine,
smalle gangetjes. Die gesteenten staan bloot
aan sterke temperatuurverschillen – kokend
heet bij de bron, ijskoud daaromheen – en
dat zorgt in de gangetjes voor de vorming van
convectiecellen: aan de hetere kant stijgt het
water op, aan de koelere kant daalt het, en dat
leidt tot cirkelvormige waterstromen die de
aanwezige moleculen met zich meevoeren en
zo dichter bij elkaar brengen.
Uit een recent experiment van de groep van
Jack Szostak van het Massachusetts General Hospital in Boston bleek bovendien dat
vetzuren, de voornaamste bouwstenen van
de membranen die onze cellen omgeven, in
dergelijke omstandigheden spontaan blaasjes
vormen, die bovendien ook vlotjes de aanwezige nucleotiden in zich opnemen. Een
belangrijke eerste stap in de vorming van de
ultieme constructie om bruikbare moleculen
dicht bij elkaar te brengen én te houden: de
cel. Er zijn nog wat problemen met het model
– ‘het zout in de oceanen verstoort het proces aanzienlijk, dus we hebben eigenlijk hydrothermale zoetwaterbronnen nodig’, aldus
Szostak. Maar goed: zo ver zijn we dus al.
Verdeel en heers
De gevormde vetblaasjes zijn echter nog geen
cellen. Vetzuren bestaan uit een kop en een
staart, die door zijn lange, repetitieve structuur waterafstotend is. Bij de vorming van
een blaasje klitten alle staarten aan elkaar en
vormen de kopjes een buitenlaag die het water buiten houdt. Echte cellen bevatten echter
ook binnenin water, dat omgeven wordt door
een dubbele laag vetzuren, met de staarten
naar elkaar gekeerd en kopjes aan twee kan-
spanningsbron
vlamboog
‘oer-atmosfeer’
H 2O, CH 4, NH 3,
H 2, CO
circulatierichting
En er is meer. DNA bevat heel wat overbodige
informatie, die het bouwen van proteïnen zou
doen mislukken als ze niet eerst werd weggeknipt. Wetenschappers gingen er lange tijd
van uit dat dat het werk was van bepaalde
enzymen, eiwitten dus. Maar Cech stelde tot
zijn eigen verbazing vast dat RNA-moleculen
van de eencellige Tetrahymena thermophila
zich ook in afwezigheid van eiwitten van de
ongewenste passages ontdeden.
Dat zette de wereld van de moleculaire biologie op zijn kop, want dat was niet volgens
het boekje. Maar in 1989 kreeg Cech de Nobelprijs voor Chemie en was het ‘ribozym’
voorgoed gelanceerd. Sindsdien zijn er tal van
andere werkwillige RNA-moleculen gevonden, die bijvoorbeeld instaan voor hun eigen
vermenigvuldiging. Niet slecht voor een – in
de woorden van moleculair bioloog David
Lilley - ‘vanuit chemisch opzicht nogal saaie
molecule’. Met zijn combinatie van steeds
weer dezelfde vier nucleotiden is RNA een
pak minder kleurrijk dan de proteïnen met
hun twintig verschillende aminozuren vol gespecialiseerde functionele aanhangsels.
Maar net die eenvoud maakt de molecule zo
interessant. ‘Ribozymen hebben mogelijk een
erg belangrijke rol gespeeld in het ontstaan
van het leven op aarde’, denkt Lilley. ‘Ze kunnen niet alleen net zoals DNA gecodeerde
informatie opslaan, maar ze kunnen ook zelf
chemische reacties aansturen.’ RNA was dus
ideaal geplaatst om het leven op aarde op
gang te trekken, om zijn ingewikkelde bezigheden pas later uit te besteden aan DNA (stabieler, en dus betrouwbaarder om informatie
in op te slaan) en proteïnen (meer chemische
mogelijkheden vanwege de diversiteit aan
aminozuren).
gastoevoer
CH 4, NH 3
koeling
Het Stanley-Miller-experiment:
chemische verbindingen uit de
oeratmosfeer worden verhit
(vulkanisme) en blootgesteld aan
de overslaande vonken tussen
twee elektrodes (bliksem).
verzamelbuisje
ten, die de inhoud van de cel bij elkaar houdt
en afschermt van ongewenste indringers.
Zo’n dubbele laag is ontzettend handig voor
cellen die willen groeien en uiteindelijk splitsen, maar een membraan zoals dat van de
cellen die we vandaag kennen, bestaande
uit vetzuren met een fosfaatgroep, zou voor
de eerste cellen bijzonder onhandig geweest
zijn. Deze fosfolipiden laten namelijk zo goed
als niets door – om bruikbare moleculen
doorheen het membraan te loodsen gebruikt
de cel speciale transporteiwitten, die de eerste cellen uiteraard nog niet hadden.
Vetzuren zonder fosfaatgroep, zo ontdekte
Szostak, zijn echter beter geschikt: ze laten
meer moleculen door, ze werden aangetroffen
op de Murchison-meteoriet (en worden dus
ook gevormd in levenloze omstandigheden)
én ze blijken bij de juiste zuurgraad spontaan
een dubbel laagje te vormen. Groeien kan vervolgens door het oppikken van naburige vetzuurblaasjes. Maar om écht succesvol te zijn
moeten de cellen zich natuurlijk ook vermenigvuldigen.
Allereerst moet daarvoor het genetisch materiaal gekopieerd worden. Opnieuw blijkt uit
experimenten dat het eenvoudige vetzuurmembraan rondom de cel mogelijk een bepalende rol heeft gespeeld in de samenstelling
van de bouwstenen van het leven. Niet alleen
laat het veel vlotter ribose door dan verwante
suikers, ook eenzame nucleotiden stromen
vlotjes naar binnen, maar raken opgesloten
vanaf het moment dat ze kleine, aan elkaar
gegroeide groepjes zijn gaan vormen. Op die
manier is alles voorhanden om het aanwezige
Eos 95
warmtebron
genetisch materiaal nucleotide per nucleotide
na te bouwen, wat ribozymen dus klaarblijkelijk zelf kunnen.
Het enige wat er dan nog moet gebeuren is
het opdelen van de primitieve cel zelf. Hoe
doet een cel dat zonder hulp van de talrijke
enzymen die zich in hedendaagse cellen van
die taak kwijten? Tot voor kort was het beste
wat men kon bedenken dat cellen op de een
of andere manier door een soort rooster werden geperst. Maar het lab van Szostak heeft
recent een veel plausibelere manier ontdekt.
Als er in de omgeving genoeg vetzuurblaasjes ronddrijven, kan het primitieve membraan snel groeien. Cellen die binnenin nog
niet al te veel moleculen hebben opgestapeld
hebben het echter moeilijk om water vast te
houden – als er in de omgeving van de cel per
volume-eenheid minder water voorkomt dan
in de cel gaat er meer water naar buiten dan
er binnenkomt. Daardoor kan het oppervlak
sneller groeien dan de inhoud van de cel, en
verandert ze van een bol in een sliert. Zo’n
sliert, aldus Szostak, is behoorlijk onstabiel,
en valt bij de minste rimpeling van het water
uit elkaar in kleine bolletjes, nieuwe cellen
dus. Met een beetje geluk krijgen die daarbij
een kopie van het genetisch materiaal mee
met daarin alle informatie die ze nodig hebben om later ooit hetzelfde – of beter – te
doen. En daarmee is het leven dan eindelijk
echt vertrokken.
En ons recept? Bekijk het zo: zelf levende
wezens bereiden mag dan voorlopig nog niet
binnen handbereik liggen, we hebben nu toch
al sliertjes in onze soep. ■