Van soep naar cel

DE OORSPRONG van het leven op onze planeet is nog steeds in duistere nevelen gehuld. Gangbare wetenschappelijke theorieën zijn aan hevige discussie onderhevig, zoals de hypothese dat het leven ontstond rond onderzeese heetwaterbronnen. Japanse onderzoekers publiceerden gisteren resultaten die deze theorie ondersteunen (Science, 5 febr). Maar enkele weken eerder verscheen in hetzelfde tijdschrift een artikel, waarin wordt uitgesloten dat de eerste levensvormen het licht zagen in een heet milieu. ``Het enige dat vaststaat over het ontstaan van het leven, is dat het gebeurd is en dat er een rationele verklaring voor moet zijn'', zegt dr. Leslie Orgel, verbonden aan het Californische Salk Institute for Biological Studies en een van de prominentste onderzoekers op dit gebied. In een artikel dat vorige maand verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Trends in Biochemical Sciences (TIBS), beschrijft hij de huidige stand van zaken.

Alle leven op aarde - bacterieel, plantaardig en dierlijk - is gebaseerd op dezelfde biochemische principes. Dat betekent dat er één gemeenschappelijke voorouder moet zijn geweest. Die is gevonden in een simpele oerbacterie, waarvan fossiele resten zijn teruggevonden in een 3,5 miljard jaar oude Australische rots. Drie jaar geleden werden de chemische sporen gevonden van nog oudere levensvormen. In Nature (6 nov. `96) publiceerde een groep wetenschappers de resultaten van een chemische analyse van het oudste gesteente op aarde, een 3,85 miljard jaar oude rotsformatie op het eiland Akilia voor de kust van Groenland. De rots bevat koolstofisotopen in een verhouding die karakteristiek is voor levende wezens. De Deense geochemicus Minik Rosing meldde onlangs (Science, 29 jan) een soortgelijke vondst van koolstofisotopen in grafietkorrels, ook afkomstig van Groenland.

De aarde is iets meer dan 4,5 miljard jaar oud, maar het eerste half miljard jaar na haar ontstaan werd de jonge planeet gebombardeerd door kometen en meteorieten, groot genoeg om de oceanen te laten verdampen en het oppervlak te steriliseren. Als de eerste levensvormen 3,5 tot 3,85 miljard jaar geleden al bestonden blijft er dus slechts een paar honderd miljoen jaar over voor het ontstaan van de eerste levensvormen uit levenloze materie; een onwaarschijnlijk korte tijd.

Orgel brengt in zijn review in TIBS het probleem terug tot twee essentiële vragen: hoe ontstonden de eerste organische moleculen, de monomeren, en hoe zijn die zich gaan organiseren in polymeren die zichzelf konden vermeerderen.

De eerste kwestie leek in 1953 al beantwoord, toen de student Stanley Miller een elektrische lading door een mengsel van methaan, ammoniak en waterstof joeg - een simulatie van een bliksemflits door de oeratmosfeer. Het product, opgelost in water, bleek onder andere dertien verschillende aminozuren, de bouwstenen van eiwit, te bevatten. Latere experimenten toonden aan dat in dergelijke reducerende gasmengsels ook suikers en nucleotiden kunnen ontstaan, die vervolgens oplossen in water. Algemeen werd aangenomen dat in een oersoep, ontstaan door een regen van organische moleculen in ondiepe poelen, de eerste cel tot leven werd gesudderd.

De laatste jaren echter wordt de bliksemflitstheorie weer in twijfel getrokken, omdat er bewijs is dat de oeratmosfeer nooit zo sterk reducerend kan zijn geweest.

Orgel: ``Een recentere theorie is dat de kleine biomoleculen van buiten af kwamen, als onderdeel van op de aarde ingeslagen kometen. Die bevatten inderdaad vaak organisch materiaal, maar ik vraag me af of dergelijke fragiele moleculen de intense hitte van de passage door de atmosfeer en de dreun van de daaropvolgende inslag wel zouden overleven.''

Sinds 1992 is er nog een derde theorie, die onderzeese breuken in de aardkorst als de wieg van het leven aanwijst. Bij deze breuken komt extreem heet, metaal- en zwavelrijk water in abrupt contact met koud zeewater. De chemische reacties tussen ijzer en zwavel, die ook nu nog op dergelijke plekken optreden, leveren voldoende vrije energie voor de productie van organische moleculen. De publicatie van de groep van Koichiro Matsuno gisteren in Science bewijst dat er spontaan kleine eiwitjes, peptides, kunnen ontstaan bij een overgang van warm naar koud water. De onderzoekers toonden dat aan in een bioreactor waarin een straal zeer heet water - van meer dan tweehonderd graden Celsius - onder hoge druk geïnjecteerd werd in een bassin ijskoud water. Als er een oplossing van het aminozuur glycine, een van de bouwstenen van eiwit, in de reactor werd gebracht, ontstonden na enige tijd korte ketentjes van twee of drie aan elkaar geregen glycinemoleculen. In de aanwezigheid van tweewaardige ionen, zoals koper en ijzer, werden de ketens zelfs nog langer.

Dit lijkt een sterke aanwijzing dat de oersoep inderdaad gebrouwen werd in de diepzee. Een sterk tegenargument leverden Franse onderzoekers (Science, 8 jan). Zij berekenden dat de samenstelling van het ribosomale RNA van de oerbacterie zodanig moet zijn geweest, dat de cel een hoge temperatuur nooit heeft kunnen overleven. Leslie Orgel: ``Er is geen sluitend bewijs voor of tegen een van de theorieën over het ontstaan van de eerste organische moleculen op aarde. Misschien ligt de waarheid wel in het midden en hebben alle drie de methoden bijgedragen aan de vorming van de oersoep.''

Maar van soep naar cel is nog een lange weg. ``Het ontstaan van een levende cel uit een oersoep van organische moleculen is ongeveer even waarschijnlijk als de constructie van een Boeing 747 door een wervelwind die een schroothoop passeert,'' vindt de Britse astronoom Fred Hoyle. Het moet daarom een stapsgewijs proces zijn geweest, waarin de verschillende bestanddelen van de moderne cel - DNA, RNA, eiwit, polysaccharides, membranen - zich een voor een ontwikkelden. Wat was dan de eerste stap?

De eerste pre-cellulaire vorm van leven moet een structuur zijn geweest die informatie kon bevatten, zichzelf kon vermeerderen én in staat was te reageren op de omgeving. In moderne cellen is DNA de informatiedrager. Het bevat de specificaties voor eiwitten, de enzymen, die de cel draaiende houden en die noodzakelijk zijn voor het kopiëren van het DNA bij elke celdeling. Het DNA kan zichzelf niet in stand houden zonder eiwitten en vice versa - een klassiek kip-en-eiprobleem.

Een uitweg uit dit dilemma werd gevonden in RNA, de intermediair bij de vertaling van de DNA-code in eiwit. Dertig jaar geleden werd dat idee al naar voren gebracht door Leslie Orgel en Nobelprijswinnaar Francis Crick, een van de ontdekkers van DNA, maar pas in de jaren tachtig werd er daadwerkelijk bewijs voor gevonden. Toen toonde Thomas Cech, eveneens Nobelprijswinnaar, aan dat sommige RNA-moleculen enzym-achtige eigenschappen hadden. Deze ribozymen bleken zichzelf te kunnen dupliceren, in stukken te knippen en weer aan elkaar te plakken. Allemaal acties die voorheen uitsluitend aan eiwitten werden toegeschreven.

Orgel: ``Het idee van een RNA-wereld wordt vrij algemeen geaccepteerd. Nu zitten we nog slechts met het probleem dat het absoluut onmogelijk lijkt dat een high-tech molecuul als RNA spontaan ontstaan is in de oersoep. Zelfs de bouwstenen ervan, de nucleosiden, zijn nog in geen enkel lab onder pre-biotische omstandigheden gesynthetiseerd.'' De RNA-wereld moet dus vooraf zijn gegaan door een simpelere vorm van georganiseerde biochemie.

De Amerikaanse biochemicus Jean Chmielewski leverde het bewijs voor het idee dat die simpele structuren wel eens kleine eiwitjes zouden kunnen zijn geweest (Nature, 3 dec. `98). In tegenstelling tot nucleotiden worden aminozuren makkelijk gevormd en ze kunnen zich spontaan aaneenrijgen tot grotere moleculen. Chmielewski heeft vier korte eiwitjes ontworpen, die in staat zijn zichzelf en elkaar te dupliceren. Welk eiwit bij voorkeur gemaakt wordt hangt af van de zuurgraad en de zoutconcentratie in de reageerbuis. De peptides reageren dus ook op veranderingen in het milieu en voldoen daarmee aan alle drie de eisen die gesteld worden aan het eerste pre-cellulaire leven.