Minimaal leven

Wat is er minimaal nodig om een levend organisme te construeren? Ik heb het niet over mensen, of over de vraag of een bevruchte menselijke eicel al een beetje mens is, want dat eicellen levende cellen zijn, is onomstreden. Hier gaat het over de simpelste vorm van leven op aarde, bacteriën. Hoeveel genen heb je nodig om als simpele bacterie te overleven? Wat zijn de eigenschappen die minimaal aanwezig moeten zijn voor een zelfstandig bestaan als levend organisme?

Er zijn simpeler organismen in de natuur dan bacteriën, zoals virussen, maar die tel ik hier niet mee. Virussen kunnen zich alleen vermenigvuldigen in een gastheercel en zij zijn dus niet in staat tot een zelfstandig bestaan. Er zijn ook bacteriën die zich in gastheercellen vermenigvuldigen, zoals de vlektyfusbacterie, maar die voeren toch hun eigen huishouding binnen de gastheercel: ze maken hun eigen DNA en eiwit binnen hun eigen bacteriële celmembraan. Virussen kunnen dat niet en vallen dus buiten de restrictieve definitie van `leven', die de meeste biologen aanhouden.

Over de basiskenmerken van levende organismen heeft een vorige hoofdredacteur van Science, Daniel Koshland, in het Science-nummer van 22 maart j.l. een aardig stuk geschreven. Zijn definitie van leven presenteert hij als een Griekse tempel rustend op zeven zuilen: programma, compartimentalisatie, energie, improvisatie, adaptatievermogen, regeneratie, en seclusie (afzondering). Programma, compartimentalisatie en energie spreken vanzelf. Zonder blauwdruk (programma) geen organisme, zonder DNA geen bacterie of mens. Het programma kan alleen ten uitvoer worden gebracht in een afgesloten ruimte, een compartiment. Levende organismen zijn begrensd door huid of membraan. Energie is nodig om een organisme in stand te houden en voor de productie van nageslacht. Aanmaak van DNA, eiwitten, membranen kost energie. Organismen pogen ook om de omstandigheden binnen hun compartiment constant te houden, zodat het programma kan worden uitgevoerd en de enzymen hun werk kunnen doen. Ook dat kost energie.

De andere pilaren van de tempel van Koshland adaptatie, improvisatie, regeneratie en seclusie lijken mij discutabel. Adaptatie is het vermogen om je snel aan te passen aan nieuwe omstandigheden. Onze darmbacterie E. coli kan bijvoorbeeld snel overschakelen van melksuiker naar rietsuiker in zijn dieet. Dit aanpassingsvermogen is onderdeel van het bestaande genetische programma van E. coli en noodzakelijk voor overleving in het ongure milieu van onze darm.

De merkwaardige term improvisatie gebruikt Koshland voor het ontstaan van nieuwe varianten, die geheel nieuwe eigenschappen bezitten. Dat vereist aanpassing van het programma, bijvoorbeeld door mutaties in het DNA. E. coli kan door mutaties resistent worden tegen de antibiotica waarmee wij bacteriën te lijf gaan. Dat is een nieuwe eigenschap met evidente voordelen voor de bacterie.

Improvisatie en adaptatie zijn handige eigenschappen voor een E. coli die zich met succes weet te handhaven in een vijandige omgeving, maar het is wat wonderlijk om succes zo nadrukkelijk onderdeel te maken van de definitie van leven. Neem een simpele bacterie, die volledig is aangepast aan een constante niche, waarin geen enkele verandering optreedt. Zo'n bacterie kan een prima leven leiden, ook zonder adaptatie en flexibiliteit.

De zesde pijler van Koshlands definitie van leven is regeneratie. Daaronder brengt hij zowel het vermogen tot vermenigvuldiging als het vermogen tot reparatie, de vervanging van versleten onderdelen. Vermenigvuldiging is uiteraard een essentiële eigenschap, maar over reparatie kun je twisten. Als het programma relatief stabiel is en goed en snel gerepliceerd kan worden, heeft een organisme eigenlijk geen reparatie nodig om in een beschermde niche te kunnen leven.

Met zijn zevende pijler, seclusie (afzondering), bedoelt Koshland iets merkwaardigs, namelijk dat de chemische reacties in levende organismen specificiteit moeten hebben. Ik vind dat merkwaardig, omdat zonder specificiteit van enzymen, de sleutelcomponenten van levende organismen, er geen genetisch programma, energiegeneratie, of vermenigvuldiging bestaat. Het vermogen om een groot aantal verschillende chemische reacties uit te voeren, is een basisvoorwaarde voor alle andere eigenschappen die door Koshland worden opgesomd.

Mijn conclusie is dat Koshland wel een aardige omschrijving geeft van de eigenschappen van levende organismen die zich staande weten te houden in de barre natuur, maar dat zijn definitie van leven te ruim is om vast te stellen wat minimaal nodig is voor leven onder ideale omstandigheden. Die definitie van het minimale genoom komt nu uit de bacteriële genoomprojecten en vooral uit de analyse van parasitaire bacteriën die zoveel mogelijk van hun gastheer pikken, zodat ze nog maar weinig zelf hoeven te doen. Tot voor kort was Mycoplasma genitalium, een bacterie die zich onder andere ophoudt in menselijke genitaliën, de simpelste van alle bekende bacteriën. Dit mycoplasma heeft maar 468 genen en kan daarmee toch nog bijzonder vervelende infecties veroorzaken. Recent zijn echter Buchnera bacteriën in bladluizen gevonden, die nog minder genen bevatten, waarschijnlijk iets minder dan 400.

Uiteraard moet het mogelijk zijn om bacteriën te construeren met minder dan 400-500 genen, omdat Mycoplasma en Buchnera zich in de vrije natuur weten te handhaven en dus nog allerlei genen bevatten, die onder ideale omstandigheden overbodig zijn. Langs drie wegen komen de onderzoekers in dit gebied nu tot de conclusie dat het minimale genoom maar 200-250 genen bevat. De eerste weg is de vergelijking van verschillende bacteriën met een klein genoom. Wat zij gemeen hebben is waarschijnlijk het minimum aantal genen dat volstaat voor een levend organisme. De tweede weg die bewandeld wordt is het systematisch uitschakelen van genen in simpele bacteriën met een klein genoom. Op die manier kun je uitvinden wat werkelijk essentieel is onder ideale omstandigheden en welke genen helpen om de overlevingskansen in de natuur te vergroten. De derde weg is een theoretische analyse: wat is minimaal nodig voor de essentiële levensfunctie, de vermenigvuldiging van DNA, de aanmaak van eiwitten, het genereren van energie?

Al die benaderingen komen nu ongeveer op hetzelfde uit: met ruim 200 genen valt een levend organisme te construeren (Peterson en Fraser, Genome Biology, 2001). De natuur is wonderbaarlijk efficiënt en het is mooi dat we daar kennis van mogen nemen.