Eerste leven en volgend leven

De chauffeur zette de motor af van zijn rommelende troepentransportschip van het Russische leger aan de rand van een diepe kloof die was uitgehouwen door een stroom van gletsjersmeltwater. Onze kleine onderzoeksgroep - met onder meer Stanford-studenten Jamie en Meaghan, postdocs Jan en Jake van de Carnegie Institution of Washington en onze gids, Vladimir - klauterde uit de vrachtwagen voor een welkom stuk na een schokkende rit van vijf uur van Petropavlovsk. Toen pakten we onze rugzakken op de schouders en begonnen te klimmen, knarsend over opeengepakte sneeuw en ijs tussen rotsblokken zo groot als een huis. Toen we even stopten om op adem te komen en naar beneden keken, zagen we de as- en lavastromen van eerdere uitbarstingen uitgehold in heuvels en valleien, met verspreide stukken lage struiken in beschutte gebieden ver beneden. Het grillige vulkanische landschap van Kamtsjatka definieerde de horizon. Boven ons doemde ons doel op: de verwoeste top van Mount Mutnowski, een vulkaan die slechts een paar jaar eerder was uitgebarsten.

Twee uur later en 2000 voet hoger, tuurden we over de rand van de krater. Het was moeilijk om de chaos onder ons te bevatten. Er was niets levends in dit landschap van zwarte en grijze rots, behalve ons team van zes. Een kleine gletsjer aan de andere kant smolt in de krater, en verre brullende geluiden kwamen van diep binnen terwijl stoom opsteeg in de blauwe lucht. Aarde, lucht, vuur en water, dacht ik – de oude elementen, hier samengebracht in het verre oosten van Rusland, bewogen door warmte-energie die was overgebleven uit het begin van de geschiedenis van onze planeet. Afgezien van de gletsjer leek deze plek een overblijfsel uit die tijd - een model van hoe de aarde er vier miljard jaar geleden uitzag, voordat het leven begon. We gingen de krater in, soms met gasmaskers om onze longen te beschermen tegen bijtende gassen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2009

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Mijn veldwerk in Kamtsjatka werd ondersteund door een NASA-subsidie ​​en ons belangrijkste doel was om beter inzicht te krijgen in de geochemische omstandigheden die verband houden met het ontstaan ​​van leven op aarde en misschien ook op Mars. Eerdere publicaties in Russischtalige tijdschriften hadden gemeld dat organische verbindingen, waaronder aminozuren, aanwezig waren in de kokende bronnen en dampen van vulkanen in Kamtsjatka. Iedereen is het erover eens dat de oorsprong van het leven een bron van organische verbindingen vereiste, maar niemand weet echt wat de primaire bron zou kunnen zijn. Een mogelijkheid is dat de meeste verbindingen zijn geproduceerd door geochemische synthese in vulkanische gebieden in het begin van de geschiedenis van de aarde, en het zou een echte doorbraak zijn als we vandaag soortgelijke reacties in vulkanen zouden kunnen detecteren.

Het tweede doel was eigenlijk om mijn weddenschap af te dekken. Wat als we helemaal naar Kamtsjatka zouden gaan en geen organische verbindingen zouden vinden? Dat zou gênant zijn. Om deze reden bracht ik een mengsel van verbindingen mee die vergelijkbaar waren met die waarvan we dachten dat ze vier miljard jaar geleden beschikbaar zouden zijn geweest om het leven op gang te brengen: vier aminozuren, een vetzuur, fosfaat, glycerol en de vier basen van nucleïnezuur. We wisten dat deze componenten onder laboratoriumomstandigheden kunnen reageren om complexere verbindingen te produceren die verband houden met de moleculaire structuren en functies die kenmerkend zijn voor het leven. Ik stelde voor om deze toe te voegen aan een vulkanische poel om te zien wat er zou gebeuren. De meeste van mijn collega's vinden dit soort experimenten een beetje gek omdat de omstandigheden zo ongecontroleerd zijn, maar ik beschouw het als een realiteitscheck. We kunnen interessante reacties krijgen om in een laboratorium te werken, maar wat als we iets over het hoofd zien dat pas duidelijk wordt als we die reacties in een natuurlijke omgeving proberen te simuleren?

Symbiose en synthetische biologie
Toen ik de term voor het eerst begon te horen astrobiologie een paar jaar geleden klonk het vreemd tegenstrijdig. En toen verscheen er weer een nieuwe discipline die nog meer een rek was: Synthetische biologie . Maar dit is hoe de wetenschap vordert - door een soort symbiose tussen schijnbaar niet-verwante disciplines, waarin traditionele biologie en scheikunde biochemie worden, en biologie en natuurkunde biofysica. Ik begon mijn carrière met traditionele biofysische studies over membranen, maar nu wordt een deel van mijn onderzoek gefinancierd door NASA's astrobiologieprogramma, en veel van onze experimenten kunnen worden omschreven als synthetische biologie: de toepassing van technische technieken om biologische functies en systemen te ontwerpen of opnieuw te ontwerpen.

Het vakgebied van de synthetische biologie is op dit moment hot, omdat de methoden ervan potentieel zeer krachtig zijn. Synthetische biologen weten genoeg over levende systemen om genetische programma's op nuttige manieren te veranderen, zoals deskundige computerprogrammeurs software veranderen. Maar wat heeft zo'n hightech wetenschap te maken met vulkanen en het ontstaan ​​van leven? Louis Pasteur merkte ooit op dat het toeval de voorbereide geest begunstigt; heel vaak levert zelfs het meest elementaire onderzoek een onvoorstelbare toepassing op. Een van de krachtigste instrumenten van de moleculaire biologie is bijvoorbeeld de polymerasekettingreactie (PCR), die wordt gebruikt om DNA te amplificeren, dat wil zeggen om meerdere kopieën van een bepaalde sequentie te maken. Bij PCR worden cycli van verwarmen en afkoelen gecombineerd met DNA-synthese door een polymerase, een enzym dat de opbouw van grote moleculen (polymeren) uit kleine moleculen (monomeren) katalyseert. Kary Mullis kwam op het idee in 1983, eerst met behulp van een polymerase van gewone E coli bacteriën, maar er was een polymerase nodig dat bijna kooktemperaturen kon overleven. In 1965 ontdekte Thomas Brock in volledig niet-gerelateerd onderzoek een primitieve bacterie, die hij noemde Thermus aquaticus , wonend in de vulkanische warmwaterbronnen van Yellowstone National Park. Dit organisme is de oorspronkelijke bron van de hittebestendige Taq polymerase nu gebruikt in alle commerciële PCR-apparaten.

Als we het advies van Pasteur opvolgen, kunnen we de kans op meer van dergelijke toevallige ontdekkingen vergroten. We kunnen onze geest in het bijzonder voorbereiden door de reikwijdte van synthetische biologie uit te breiden tot studies over de oorsprong van het leven. Ik zal beginnen met het beschrijven van de natuurlijke versie van synthetische biologie; dan zal ik laten zien hoe ons groeiend begrip van de moleculaire mechanismen van het leven een manier suggereert om de oorsprong van het leven in het laboratorium te reproduceren.

Eerste leven: synthetische biologie in het wild
Om de kwestie van de oorsprong van het leven aan te pakken, moeten we een idee hebben van hoe de aarde er vier miljard jaar geleden uitzag. Er zijn goede aanwijzingen dat oceanen al honderden miljoenen jaren ouder waren dan het leven. De oceanen waren zout, waarschijnlijk enigszins zuur, met vulkanische landmassa's die boven de zeespiegel uitstaken. Neerslag op die eilanden zorgde voor zoetwatervijvers, dus een mariene omgeving is niet de enige waarin het leven had kunnen beginnen. De atmosfeer was een mengsel van koolstofdioxide en stikstof, met weinig of geen zuurstof, en de gemiddelde temperatuur op aarde was 60 tot 70 °C, veel hoger dan de huidige 15 °C. Zo leken de eerste levensvormen waarschijnlijk op de thermofiele bacteriën die tegenwoordig in warmwaterbronnen leven.

Hoe kon het leven beginnen in zo'n weinig belovende omgeving? Charles Darwin vroeg zich dat af en toe af, hoewel hij te conservatief was om in het openbaar te speculeren over de oorsprong van het leven. In een privébrief aan zijn vriend Joseph Hooker schreef hij: Maar als (en oh! wat een grote als!) we zwanger zouden kunnen worden in een warme kleine vijver, met allerlei soorten ammoniak en fosforzouten, licht, warmte, elektriciteit, enz. ., aanwezig, dat een eiwitverbinding chemisch werd gevormd, klaar om nog complexere veranderingen te ondergaan, tegenwoordig zou dergelijke materie onmiddellijk worden verslonden of geabsorbeerd, wat niet het geval zou zijn geweest voordat levende wezens werden gevormd. En zijn geweldige boek On the Origin of Species gaat in op de vraag in één enkele zin: Kijkend naar de eerste dageraad van het leven, toen alle organische wezens, zoals we misschien geloven, de eenvoudigste structuur presenteerden, hoe, zo werd gevraagd, kon de eerste stappen in de vooruitgang of differentiatie van onderdelen zijn ontstaan?

Minder welsprekend, wat zou er nodig zijn om de evolutie van het leven te laten beginnen? Allereerst werkt evolutie op populaties, niet op afzonderlijke organismen, dus we moeten een manier vinden om grote aantallen moleculaire systemen in de prebiotische omgeving te genereren. Bovendien moet er een grote variatie in hun eigenschappen zijn. De vereiste van variatie binnen een populatie betekent dat de eerste levensvormen die in staat zijn tot evolutie, geen willekeurige mengsels van replicerende moleculen kunnen zijn die niet in staat zijn zich te assembleren tot afzonderlijke entiteiten; in plaats daarvan zouden het systemen zijn van op elkaar inwerkende moleculen ingekapseld in zoiets als een cel.

Een soort laboratorium: De auteur bemonsterde kokende fumarolen in de krater van de berg Mutnowski, in Kamchatka, Rusland

De systemen zouden de twee primaire functies van het leven moeten vertonen: groei en reproductie. Cellen groeien door voedingsstoffen op te nemen - eenvoudige moleculen uit de omgeving. Ze gebruiken energie om die moleculen te koppelen aan de polymeren die we eiwitten en nucleïnezuren noemen. Voortplanting vereist een mechanisme waarmee genetische informatie kan worden opgeslagen en vervolgens kan worden gerepliceerd, zodat de informatie, in de vorm van genen, kan worden doorgegeven. Maar de overdracht van informatie is noodzakelijkerwijs onvolmaakt. Er moet een bepaald aantal fouten - mutaties - optreden om variaties in de populatie te produceren, zoals die welke het primitieve leven in staat stelden om verschillende niches te verkennen en te beginnen met evolueren naar de prachtige biosfeer van de huidige aarde.

We hebben het over levensvormen die veel eenvoudiger zijn dan zelfs de meest primitieve bacteriën die nu bestaan. Maar hoe kunnen cellen van welke aard dan ook spontaan verschijnen uit willekeurige mengsels van eenvoudige organische moleculen? Het vooruitzicht is zo verbijsterend dat een paar wetenschappers botweg beweren dat we nooit zullen begrijpen hoe het tot stand is gekomen. Ik ben optimistischer. Maar proberen te ontdekken hoe het leven begon, is hard werken, zonder zekerheid dat we ooit antwoorden zullen vinden. We moeten hypothesen formuleren en testen, en bereid zijn om ons op uitgestrekt onontgonnen terrein te begeven. Ik zal kort enkele mijlpalen op deze reis beschrijven. Als we ze erkennen, kunnen we beginnen een logische kooi samen te stellen die speculatie beperkt en ons naar antwoorden leidt.

Eerste mijlpaal: een bron van organische monomeren
De vier basisvariëteiten van biomoleculen zijn aminozuren en eiwitten, koolhydraten, nucleïnezuren en lipiden. Het lijdt weinig twijfel dat vergelijkbare, zelfs identieke, organische verbindingen aanwezig waren in de prebiotische omgeving. Dat was de conclusie van het beroemde experiment van Stanley Miller in het begin van de jaren vijftig, waarin hij mengsels van gewone gassen blootstelde aan elektrische ontladingen en de vorming van aminozuren observeerde. Sinds die tijd zijn vrijwel alle primaire koolstofverbindingen van het leven gesynthetiseerd in prebiotische simulaties.

De resultaten van simulatiestudies werden krachtig ondersteund toen in september 1969 een opmerkelijke meteoriet op de aarde viel in de buurt van Murchison, Australië. Het was duidelijk dat de meteoriet organisch materiaal bevatte, omdat er een vreemde geur uit de hete oppervlakken kwam. Veertig jaar later, wanneer ik Murchison-monsters maal in het laboratorium, stijgt dezelfde geur op uit de mortel - tegelijkertijd stoffig, olieachtig en zuur. Dit is een oude geur, ouder dan de aarde zelf, vijf miljard jaar bewaard in een komeet of asteroïde waarvan de oorspronkelijke meteoriet was afgeleid.

Er zijn duizenden organische verbindingen aanwezig in de Murchison-meteoriet en andere koolstofhoudende meteorieten die zijn geanalyseerd, wat het experiment van Miller bevestigt door aan te tonen dat biologisch relevante organische verbindingen in feite worden geproduceerd door niet-biologische processen. Dit maakt het aannemelijk dat organische verbindingen aanwezig waren op de prebiotische aarde, ofwel gesynthetiseerd door geochemische processen of meer dan vier miljard jaar geleden afgeleverd als meteoriet en kometen.

Tweede mijlpaal: zelfassemblage van compartimenten en protocellen
De eenheid van al het leven is tegenwoordig de cel. Mijn onderzoeksachtergrond ligt in membraanbiofysica en ik begon mijn carrière met het bestuderen van de lipidemembranen die de essentiële grenzen zijn die levende cellen definiëren. Twintig jaar geleden, toen ik een steen ter grootte van een golfbal verkreeg van de Murchison-meteoriet, wilde ik zien of er iets dat op lipiden leek aanwezig was in de mix van meteoritische organische stoffen, misschien licht werpend op hoe het leven cellulair werd.

In eerder onderzoek had ik vaak een mengsel van chloroform en methanol gebruikt om lipiden te extraheren uit een verscheidenheid aan biologische materialen, zoals rode bloedcellen, chloroplasten, mitochondriën en zelfs eidooiers - de laatste was een rijke bron van een fosfolipide, lecithine genaamd. En in 1975 had ik een sabbatsverlof doorgebracht in het laboratorium van Alec Bangham, die in de jaren zestig, werkend bij een onderzoeksinstituut in de buurt van Cambridge, Engeland, ontdekte dat lecithine zich spontaan kon assembleren tot vliezige zakjes, of blaasjes, die zijn ontstaan liposomen worden genoemd. Ik gebruikte nu het chloroform-methanol-mengsel om verbindingen uit monsters van de Murchison-steen te isoleren, en gebruikte vervolgens een chromatografische procedure om die verbindingen te zuiveren die in staat zouden kunnen zijn zichzelf tot membranen te assembleren. Het linkerpaneel in de afbeelding op pagina 71 laat zien wat er gebeurde toen een paar microgram van het extract op een microscoopglaasje werd gedroogd en aan water werd blootgesteld om de cycli van bevochtigen en drogen te simuleren die op de vroege aarde frequent zouden zijn geweest. De resultaten waren erg spannend. Niet alleen waren lipide-achtige moleculen aanwezig in de mix, maar ze waren ook gemakkelijk zelf-geassembleerd tot blaasjes ter grootte van een cel.

Toen we het mengsel van meteoritische organische stoffen analyseerden, ontdekten we dat sommige van de verbindingen vetzuren met een korte keten waren, zeepachtige moleculen met een staart van 9 tot 13 koolstofatomen. Hierdoor hadden we geen materiaal meer nodig van kostbare meteorieten om experimenten uit te voeren; we zouden de eigenschappen kunnen onderzoeken van de zuivere verbindingen die zijn gekocht van chemische toeleveringsbedrijven. We begonnen met decaanzuur, een vetzuur met 10 koolstofatomen, en ontdekten dat het gemakkelijk blaasjes produceerde die vergelijkbaar waren met die van de meteorietextracten. De volgende vraag was of dergelijke compartimenten grotere moleculen konden inkapselen om protocellen te produceren, die worden gedefinieerd als ingekapselde systemen van moleculen - zoals RNA - die het potentieel hebben om als katalysatoren en dragers van genetische informatie te fungeren. Dit blijkt zo eenvoudig te zijn dat het zou kunnen worden gedaan voor een middelbare school wetenschapsbeurs. Als de microscopisch kleine blaasjes worden gemengd met grote moleculen zoals eiwitten of nucleïnezuren, en vervolgens door een droog-nat-cyclus worden gebracht, komt ongeveer de helft van de grote moleculen in de blaasjes terecht. De gloeiende lipideblaasjes die in het rechterpaneel van de opname worden getoond, zijn samengesteld uit decaanzuur dat DNA-moleculen omringt.

Het komt erop neer dat protocellen heel gemakkelijk te produceren zijn door middel van eenvoudige zelfassemblageprocessen. Hieruit volgt dat dergelijke structuren naar verwachting ook in een prebiotische setting zouden voorkomen.

Derde mijlpaal: polymeersynthese
Al het leven gebruikt tegenwoordig enzymen om de synthese van polymeren te katalyseren. En bijna alle polymere moleculen van het leven, inclusief eiwitten en nucleïnezuren, worden gesynthetiseerd uit monomeren die chemisch worden geactiveerd - dat wil zeggen, ze krijgen de energie om polymerisatie te ondergaan - door middel van complexe metabolische processen die het equivalent van een watermolecuul uit elk ervan halen. Ribosomen koppelen geactiveerde aminozuren via peptidebindingen om eiwitten te produceren, en enzymen die polymerasen worden genoemd, katalyseren de vorming van esterbindingen tussen geactiveerde nucleotiden om nucleïnezuren te produceren.

Niets dat zo ingewikkeld was, had kunnen gebeuren voordat het leven begon, maar een verscheidenheid aan eenvoudigere reacties kan ook interessante polymeren opleveren. Zo toonde James Ferris van het Rensselaer Polytechnic Institute in New York aan dat een kleimineraal genaamd montmorilloniet de synthese van polymeer RNA uit geactiveerde nucleotiden bevordert. De minerale oppervlakken adsorberen en organiseren de nucleotiden, die vervolgens in polymeren worden geritst. Bovendien kunnen, zodra RNA-moleculen zijn gevormd, ze een soort beperkt replicatieproces ondergaan waarvoor geen enzymen nodig zijn. Leslie Orgel en zijn medewerkers van het Salk Institute toonden in de jaren tachtig aan dat chemisch geactiveerde nucleotidemonomeren op synthetische RNA-templates op één lijn liggen door Watson-Crick basenparing, zoals ze doen in de dubbele helix van DNA, en vervolgens polymeriseren tot een tweede streng van RNA .

De baanbrekende waarnemingen van Orgel, Ferris en anderen suggereerden duidelijk dat zoiets als RNA het eerste polymeer zou kunnen zijn dat in verband werd gebracht met levensprocessen. Aanvullend bewijs werd geleverd toen Thomas Cech van de Universiteit van Colorado en Sidney Altman van Yale ontdekten dat bepaalde soorten RNA katalytische eigenschappen hadden, een ontdekking waarvoor ze een Nobelprijs deelden. Dergelijke RNA-moleculen, nu ribozymen genoemd, kunnen specifieke chemische bindingen binnen hun eigen structuur maken en verbreken in plaats van afhankelijk te zijn van eiwitenzymen. De ontdekking van katalytisch RNA bracht Nobelprijswinnaar chemicus Walter Gilbert van Harvard ertoe om een ​​RNA-wereld voor te stellen, waarbij hij stelde dat het leven niet begon met de complexe systemen van DNA, RNA en eiwitten die tegenwoordig al het leven kenmerken. In plaats daarvan hadden RNA-moleculen kunnen dienen als katalysatoren en ook als opslag en overdracht van genetische informatie. Het RNA World-concept domineert het huidige denken over de oorsprong van het leven. Onderzoeksgroepen onder leiding van Gerald Joyce van het Scripps Research Institute, David Bartel van het Whitehead Institute en Peter Unrau van de Simon Fraser University proberen RNA op te nemen in een zelfreplicerend systeem van moleculen. Veelbetekenend is dat ze vaak een techniek gebruiken waarbij evolutionaire principes worden gebruikt om specifieke katalytische activiteiten te selecteren uit mengsels die biljoenen verschillende RNA-moleculen bevatten.

Dat brengt ons bij de volgende mijlpaal.

Ouder dan de aarde!: Toen de auteur bepaalde moleculen uit een vijf miljard jaar oude meteoriet haalde en ze nat liet worden, assembleerden ze zichzelf tot celachtige blaasjes (links). Hij ontdekte ook dat decaanzuur, een vetzuur dat aanwezig is in de meteoriet, gemakkelijk vergelijkbare blaasjes vormt - die in staat zijn om DNA in te kapselen (gloeiend, rechts).

Vierde mijlpaal: evolutie van katalysatoren
Kan genetische informatie op de een of andere manier in willekeurige mengsels ontstaan, in wezen bij toeval? Als het antwoord nee is, zitten we in de problemen, want degenen onder ons die werken aan de oorsprong van het leven beweren dat dit precies is wat er vier miljard jaar geleden gebeurde, toen de eerste levensvormen voortkwamen uit een steriel mengsel van mineralen. atmosferische gassen en verdunde oplossingen van organische verbindingen. Om die vraag te beantwoorden, zal ik terugkomen op een klassiek experiment dat David Bartel en Jack Szostak in 1993 publiceerden, terwijl Bartel een afgestudeerde student was in het laboratorium van Szostak. Hun experiment is redelijk ingewikkeld, maar het resultaat is zo belangrijk dat het de moeite waard is om hier uit te leggen. Het doel was om te kijken of een volledig willekeurig systeem van moleculen evolutionaire selectie zou kunnen ondergaan op zo'n manier dat moleculen met katalytische eigenschappen zouden kunnen evolueren. De eerste stap was het synthetiseren van biljoenen verschillende RNA-moleculen bestaande uit ongeveer 300 nucleotiden, gerangschikt in willekeurige sequenties. Bartel en Szostak redeneerden dat in die biljoenen een paar ribozymen begraven lagen die toevallig een ligatiereactie katalyseerden, waarbij een streng RNA is gekoppeld aan een tweede streng. Ze ontwikkelden een procedure die die zeldzame moleculen ving, zelfs als ze de reactie maar zwak katalyseerden. Daarna gebruikten ze enzymen om ze te versterken. De geamplificeerde sequenties werden door een nieuwe selectie- en amplificatieronde geleid en het proces werd gedurende 10 cycli herhaald.

De resultaten waren verbluffend. Verhoogde katalytische activiteit begon te verschijnen na vier cycli, en na 10 ronden was de katalysesnelheid zeven miljoen keer de niet-gekatalyseerde snelheid! Het was zelfs mogelijk om het RNA te zien evolueren. Nucleïnezuren kunnen worden gelabeld met radioactief fosfaat, vervolgens gescheiden en zichtbaar gemaakt door middel van een techniek die gelelektroforese wordt genoemd. Een mengsel van RNA-moleculen wordt bovenop een gel geplaatst en er wordt een spanning van enkele honderden volts aangelegd, waardoor de moleculen door de gel naar beneden migreren. Grotere moleculen bewegen niet erg ver, dus verschijnen ze als banden aan de bovenkant van de gel; kleinere, sneller bewegende moleculen vormen banden nabij het midden en de onderkant. Aan het begin van het experiment was er niets te zien in de gels, omdat de RNA-moleculen allemaal verschillend waren. Maar na drie cycli verschenen er verschillende banden, wat betekent dat bepaalde katalytische soorten al werden geselecteerd. Met verder fietsen verschenen andere soorten een paar cycli en stierven toen uit. Na 10 cycli overleefden twee verschillende RNA-soorten, die die RNA-moleculen vertegenwoordigden die het meest efficiënt waren in het katalyseren van de ligatiereactie.

Deze resultaten demonstreren een fundamenteel principe van evolutie op moleculair niveau. Aan het begin van het experiment was elk RNA-molecuul anders dan de rest, maar toen werd een selectieve hindernis opgelegd in de vorm van een ligatiereactie waardoor alleen bepaalde moleculen konden overleven en zich konden voortplanten. Het resultaat was dat specifieke katalytische moleculen ontstonden door een proces dat nauw aansluit bij de darwinistische natuurlijke selectie. De conclusie: genetische informatie kan in feite in willekeurige mengsels voorkomen, zolang de mengsels beginnen met grote aantallen polymeren gedefinieerd door een verscheidenheid aan nucleotidesequenties waaruit specifieke sequenties met een katalytische eigenschap kunnen worden geselecteerd en geamplificeerd. Het lijkt redelijk om te veronderstellen dat soortgelijke selectieve processen zich op de prebiotische aarde hadden kunnen voordoen toen de eerste levensvormen zich in een mengsel van organische verbindingen samenvoegden en zich vervolgens begonnen te ontwikkelen.

Vijfde mijlpaal: combinatorische chemie en vuilniszakken
De meeste scheikundigen leren hun experimenten in serie te doen, één per dag. Maar experimenten kunnen ook parallel worden uitgevoerd met een techniek die combinatorische chemie wordt genoemd. Deze benadering is vooral nuttig in de farmaceutische industrie, waar het vaak nodig is om met grote aantallen verbindingen te experimenteren om een ​​reactie te optimaliseren of een nieuw medicijn te testen. Een robotapparaat laadt honderden of zelfs duizenden kleine reactiekamers met de gewenste mengsels, waarbij elke kamer een druppel bevat die net iets anders is dan de rest. Nadat de reactie is voltooid, worden de kamers afzonderlijk op activiteit getest.

In mijn laboratorium voeren we een versie van combinatorische chemie uit wanneer we liposomen bereiden door water toe te voegen aan een paar milligram droge lipide in een kolf. Er wordt een melkachtige suspensie geproduceerd die niet duizenden, maar biljoenen individuele microscopisch kleine blaasjes bevat in het groottebereik van kleine bacteriën - een halve micrometer in diameter. Als de blaasjes worden bereid in een oplossing die kleine peptiden en korte nucleïnezuren zoals RNA bevat, zal elk van de blaasjes een andere set componenten bevatten, dus elk vertegenwoordigt een microscopisch experiment. Laten we nu eens nadenken over de vroege aarde. In plaats van milligrammen lipide in een kolf, zou het miljarden tonnen organisch materiaal in enorme aantallen microscopische structuren hebben geassembleerd, en een half miljard jaar om het experiment te doen.

De oorsprong van het leven kan metaforisch worden opgevat als combinatorische chemie op wereldschaal. Een paar van de microscopische experimenten moeten succesvol zijn geweest, resulterend in primitieve cellen die in staat zijn om energie en voedingsstoffen op te vangen om te groeien door middel van polymerisatiereacties. Evolutie begon toen de cellen een beperkte niche vulden en streden om hulpbronnen. Op dat moment nam natuurlijke selectie het over, waardoor een hoge prioriteit werd gegeven aan hoe efficiënt een bepaalde cel voedingsstoffen kon opnemen om te groeien. Ik stel me voor dat zodra het robuuste cellulaire leven op gang kwam, het exponentieel groeide. De aarde, gezien vanuit de ruimte, kan zelfs een tijdje rood blozen of groen zijn geworden toen fotosynthetische bacteriën de oceanen vulden.

Zullen we ooit de combinatie van ingrediënten ontdekken die tot leven hebben geleid? Nogmaals, ik ben optimistisch. We moeten toepassen wat we weten over de scheikunde en fysica van levende systemen om de mogelijkheden te beperken, en dan dapper genoeg zijn om daadwerkelijk wat experimenten te doen. Maar welke experimenten moeten we proberen? Dit is waar de theorie ons kan leiden. Freeman Dyson, een van de grote theoretische natuurkundigen van onze tijd, is ook geïnteresseerd in de oorsprong van het leven. In zijn boek Origins of Life vat Dyson beknopt samen wat ik u heb verteld:

Het leven begon met kleine zakjes, de voorlopers van cellen, die kleine hoeveelheden vuil water met allerlei afval omsloten. Een willekeurige verzameling moleculen in een zak kan af en toe katalysatoren bevatten die de synthese veroorzaken van andere moleculen die als katalysatoren werken om andere moleculen te synthetiseren, enzovoort. Zeer zelden kan een verzameling moleculen ontstaan ​​die voldoende katalysatoren bevat om de hele populatie na verloop van tijd te reproduceren. De reproductie hoeft niet precies te zijn. Het is voldoende als de katalysatoren op een grove statistische manier worden bijgehouden. De populatie moleculen in de zak reproduceert zichzelf zonder enige exacte replicatie. Terwijl dit gebeurt, kan de zak groeien door aanwas van vers afval van buitenaf, en de zak kan af en toe in twee zakken worden gebroken wanneer deze door turbulente bewegingen wordt rondgegooid. De cruciale vraag is dan: wat is de kans dat een dochterzak die wordt geproduceerd door het splitsen van een zak met een zichzelf reproducerende populatie van moleculen zelf een zichzelf reproducerende populatie zal bevatten? Wanneer deze kans groter is dan de helft, produceert een ouder gemiddeld meer dan één functionele dochter, kan een uiteenlopende kettingreactie optreden, zullen de zakken met zelfreproducerende populaties zich vermenigvuldigen en is er een soort leven begonnen.

Het leven dat zo begint is de vuilniszakkenwereld. Het is een wereld van kleine protocellen die zichzelf alleen statistisch metaboliseren en reproduceren. De moleculen die ze bevatten, repliceren zichzelf niet precies. Statistische reproductie is een goede basis voor natuurlijke selectie. Zodra de vuilniszakwereld begint met het grof reproduceren van protocellen, zal natuurlijke selectie werken om de kwaliteit van de katalysatoren en de nauwkeurigheid van de reproductie te verbeteren. Het zou niet verwonderlijk zijn als een miljoen jaar selectie protocellen zou produceren met veel van de chemische verfijningen die we in moderne cellen zien.

Volgend leven: synthetische cellen
Theoretische concepten zoals de RNA-wereld en de vuilniszakkenwereld van Dyson hebben experimentele benaderingen geïnspireerd waarin systemen van moleculen omsloten door membranen voldoende complex zijn om enkele eigenschappen van het leven te hebben. Het uiteindelijke doel is om een ​​cellulair systeem samen te stellen dat energie kan gebruiken om te groeien via een proces van gekatalyseerde polymerisatie, replicatie van genetische informatie en evolutie. Verschillende laboratoria zijn met dergelijke onderzoeken begonnen en er is reden om aan te nemen dat het doel van kunstmatig leven in het volgende decennium kan worden bereikt. Ik zal nu een korte geschiedenis vertellen van onderzoek naar het vervaardigen van kunstmatige cellen.

Misschien is het eerste dat u moet begrijpen, dat het samenstellen van een systeem van moleculen die zich kunnen voortplanten, oud nieuws is. Meer dan 50 jaar geleden ontdekten Heinz Fraenkel-Conrat en Robley Williams in Berkeley dat het tabaksmozaïekvirus kon worden gescheiden in zijn vachteiwit en RNA. Als de twee componenten met elkaar werden gemengd, werden ze weer samengevoegd tot het infectieuze agens. Meer recent hebben Jeronimo Cello, Aniko Paul en Eckard Wimmer van de State University van New York in Stony Brook in een opmerkelijke weergave van moderne moleculair-biologische methoden een functioneel poliovirusgenoom gefabriceerd door honderden kleinere fragmenten aan elkaar te naaien die werden gesynthetiseerd met behulp van chemische technieken. En twee jaar geleden slaagden Hamilton Smith en zijn collega's van het J. Craig Venter Institute in Rockville, MD erin om een ​​volledig genoom te synthetiseren van een kleine bacteriesoort genaamd Mycoplasma genitalium . De opschudding die dit veroorzaakte, is een indicatie van wat de eerste beweringen zullen overkomen dat een levende cel uit zijn onderdelen is herbouwd.

De synthese van virale en bacteriële genomen suggereert dat zelfs meer uitdagende verzinsels mogelijk zijn. We weten al jaren dat spontane zelfassemblageprocessen verrassend complexe systemen van functionele moleculen kunnen produceren. Efraim Racker, werkzaam aan de Cornell University, was in de jaren zeventig een pionier in de poging om mitochondriale membranen te ontleden en te reconstrueren. Mitochondriën zijn subcellulaire organellen die in de meeste cellen aanwezig zijn, en ingebed in hun membranen zijn enzymen die elektronen verwijderen uit metabolische producten die zijn afgeleid van voedingsstoffen zoals glucose. Het proces wordt elektronentransport genoemd, omdat de elektronen vervolgens door een keten van enzymen in het mitochondriale membraan gaan en worden afgeleverd aan zuurstof. Het elektronentransport is nauw gekoppeld aan een tweede transportproces, waarbij positief geladen protonen afgeleid van water naar buiten worden gepompt, waardoor een elektrische potentiaal van ongeveer 0,2 volt over het membraan wordt geproduceerd. Deze spanning levert de energiebron voor de synthese van adenosinetrifosfaat (ATP), dat chemische energie in cellen transporteert en daarom de meeste levensprocessen aandrijft. Het universele mechanisme waarmee ATP wordt gesynthetiseerd, nu chemiosmosis genoemd, werd in 1961 voorgesteld door Peter Mitchell, een opmerkelijke Britse wetenschapper die later onderzoek deed in zijn huis in Bodmin, Cornwall.

Racker en zijn studenten losten mitochondriale membranen op met een reinigingsmiddel dat deoxycholzuur wordt genoemd. Een van zijn eerste ontdekkingen was dat de membranen een enzym bevatten dat ATP-synthese koppelde aan elektronentransport. Hij noemde dit een koppelingsfactor, maar het wordt nu een ATP-synthase genoemd. Racker ontdekte ook dat het reinigingsmiddel kon worden verwijderd door dialyse - simpelweg door de heldere oplossing in een zak te doen die bestaat uit een materiaal dat op cellofaan lijkt en het een nacht in een verdunde zoutoplossing te laten staan. De kleine wasmiddelmoleculen lekten uit de zak, maar grotere moleculen konden niet door het poreuze materiaal komen. De volgende dag was de oplossing troebel, omdat vliezige blaasjes met de oorspronkelijke eiwitcomponenten weer in elkaar waren gezet. De blaasjes waren volledig in staat tot elektronentransportreacties en ATP-synthese. Het was de eerste reconstitutie van een zeer complexe biologische functie.

Rond dezelfde tijd werd Walther Stoeckenius van de Universiteit van Californië, San Francisco, nieuwsgierig naar de gepigmenteerde membranen van een bacteriesoort genaamd Halobacterium halobium , die in extreem zout water leeft. Stoeckenius en Dieter Oesterhelt waren in staat om het paarse pigment - bacteriorhodopsine - te isoleren en ontdekten dat zijn functie was om lichtenergie te absorberen en de energie te gebruiken om protonen door het bacteriële membraan te transporteren. De energie van de protongradiënt werd vervolgens gebruikt om ATP te synthetiseren. Racker en Stoeckenius, beide leden van de National Academy of Sciences, startten toen een zeldzame samenwerking tussen twee senior wetenschappers. Ze gebruikten de dialysemethode van Racker om een ​​systeem van vliezige blaasjes te reconstrueren die alleen de protonpomp van paarse membranen en het ATP-synthase van mitochondriën bevatten. In 1974 rapporteerden ze dat de hybride blaasjes licht konden gebruiken als energiebron om ATP te synthetiseren. Hun paper droeg bij aan het bewijs dat uiteindelijk de chemiosmotische synthese van ATP bevestigde, waarvoor Peter Mitchell in 1978 de Nobelprijs kreeg.

Het punt van deze korte geschiedenis is dat een verrassend complexe biologische functie kan worden gereconstitueerd door zelfassemblage van verspreide componenten. Waarom niet proberen een hele cel te reconstrueren? Als dit mogelijk blijkt te zijn, zal het ons misschien helpen te ontrafelen wat we bedoelen met leven en zelfs de belangrijkste stappen ophelderen die hebben geleid tot het ontstaan ​​van cellulair leven.

Pier Luigi Luisi en zijn onderzoeksmedewerkers in Zürich deden de eerste poging door in 1999 ribosomen in lipideblaasjes in te kapselen, samen met een synthetische vorm van RNA die de ribosomen opdroeg het aminozuur fenylalanine in een eiwit op te nemen. Er werden een paar korte peptiden geproduceerd, maar lipidedubbellagen zijn ondoordringbaar voor aminozuren, dus de synthese was beperkt tot die fenylalanines die zich in de blaasjes bevonden. Vincent Noireaux en Albert Libchaber van de Rockefeller University hadden een slimme oplossing voor het permeabiliteitsprobleem: waarom geen kanaal toevoegen aan de lipide dubbellaag van de blaasjes? Ze meldden in 2004 dat ze erin waren geslaagd om een ​​compleet vertaalsysteem geïsoleerd van E coli , samen met boodschapper-RNA dat de ribosomale synthese van groen fluorescerend eiwit (GFP) en van hemolysine stuurt, een eiwit dat dient als een kanaal waardoor extern toegevoegde aminozuren en ATP de blaasjes kunnen binnendringen. Het systeem werkte wel vier dagen en aan het einde van de incubatieperiode gloeiden de blaasjes groen op van de geaccumuleerde GFP. Tetsuya Yomo en zijn onderzoeksgroep aan de Osaka University zijn een stap verder gegaan met een vergelijkbaar ingekapseld translatiesysteem waarin het GFP-gen aanwezig is in een DNA-streng. Ze noemen hun systeem een ​​genetische cascade, omdat het GFP-gen wordt getranscribeerd in boodschapper-RNA, dat vervolgens de synthese van het eiwit stuurt.

Deze ingekapselde vertaalsystemen vertonen een fundamentele eigenschap van het leven: ze gebruiken genetische informatie om een ​​eiwit te synthetiseren, maar er worden slechts een paar specifieke eiwitten geproduceerd en al het andere blijft achter. Om echt te leven, zouden de protocellen een DNA-streng nodig hebben met genen voor meer dan 200 verschillende eiwitten en RNA-soorten, waaronder genen voor een polymerase-enzym, zodat het DNA kan worden gerepliceerd. Enzymen die de lipidesynthese katalyseren, moeten ook aanwezig zijn, omdat de membraangrens moet groeien. Transporteiwitten moeten in de lipidedubbellaag worden opgenomen; anders hebben de blaasjes geen toegang tot externe bronnen van voedingsstoffen en energie. Er moet ook een hele reeks regelgevende processen zijn, zodat al deze groei wordt gecoördineerd. Ten slotte, wanneer de blaasjes groeien tot ongeveer twee keer hun oorspronkelijke grootte, moeten ze zich splitsen in dochtercellen die de oorspronkelijke genetische informatie delen.

Hieruit volgt dat zelfs het eenvoudigste leven van vandaag verbazingwekkend complex is en niet op de vroege aarde tot stand had kunnen komen met een volledige aanvulling van honderden genen. Er moet iets eenvoudiger zijn geweest: een soort steigerleven dat enkele miljarden jaren geleden in het evolutionaire puin werd achtergelaten. Gezien dit alles, hoe waarschijnlijk is het dat de ultieme belofte van synthetische biologie zal worden vervuld - dat een kunstmatige versie van een primitieve levende cel kan worden geassembleerd? De beste gok is waarschijnlijk een ribozym dat zijn eigen volledige synthese katalyseert van ATP, UTP, GTP en CTP - de vier nucleotidemonomeren van RNA - met behulp van genetische informatie die in zijn structuur is gecodeerd. Als het iemand lukt, hebben we de essentiële eigenschap in handen die tot nu toe ontbreekt in kunstmatige celmodellen: reproductie van de katalysator zelf. Met zo'n ribozym weten we al hoe we het moeten incorporeren in een systeem van lipideblaasjes die met het ribozym kunnen meegroeien en voedingsnucleotiden de cel laten binnendringen om de groei te ondersteunen. De ingekapselde ribozymen zullen het vermogen hebben om te evolueren, zoals Bartel en Szostak 15 jaar geleden hebben aangetoond. Kortom, het systeem zal leven.

En wat gebeurt er dan? Er zullen natuurlijk koppen zijn; leerboeken worden herschreven; en vroeg in de ochtend wordt er waarschijnlijk iemand gewekt door een telefoontje uit Stockholm. Maar tenslotte sterft het gejuich af; iemand anders zal vragen: Nou, en dan? Diezelfde vraag had kunnen worden gesteld toen de dubbele helixstructuur van DNA in 1953 werd gepubliceerd. De omvang van de ontdekking werd pas jaren later duidelijk. Ik denk dat het eerste systeem van moleculen die zichzelf kunnen reproduceren op het eerste gezicht ook een academische exercitie zal zijn. Maar om het in het juiste perspectief te plaatsen, bedenk dat voedsel, antibiotica, olie, hout, methaan en waterstof worden geproduceerd door levende cellen die het resultaat zijn van meer dan drie miljard jaar evolutie. Ik denk dat de volgende revolutie in technologie zal beginnen wanneer de synthetische functies van het leven kunnen worden uitgevoerd door vereenvoudigde versies van cellen die zijn ontworpen vanuit blauwdrukken in plaats van door evolutie.

David Deamer is een onderzoeksprofessor in biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. Momenteel schrijft hij een boek over de oorsprong van het leven, dat zal worden uitgegeven door de University of California Press.

zich verstoppen