Het leven maak je zo opnieuw

Nobelprijswinnaar Jack Szostak probeert het eerste leven op aarde na te bouwen. „Een pufje lucht, en we zien het membraan opbreken in meerdere protocellen.”

Jack Szostak (links) tuurt een laboratorium aan de TU Delft binnen.
Jack Szostak (links) tuurt een laboratorium aan de TU Delft binnen. Foto David van Dam

Het is één uur ’s middags. Jack Szostak (62) stapt met kleine oogjes uit de hotellift. „Sorry, ik heb net een dutje gedaan. In het vliegtuig kon ik de slaap maar niet vatten. En ik heb ook een beetje honger.”

De Nobelprijswinnaar is een week in Nederland voor twee symposia, in Amsterdam en Delft. Szostak won in 2009 een Nobelprijs voor zijn onderzoek aan telomeren die chromosomen beschermen tegen aftakeling en veroudering. Dat was interessante biochemie, zegt Szostak nu, maar sindsdien worstelt hij met een grotere vraag: hoe ontstond het leven?

Om te begrijpen hoe het leven begon, wil Szostak het nabouwen. In zijn lab in Boston brengt hij simpele moleculen samen die de basis vormen voor het leven. Vetzuren vormen samen blaasjes. Nucleotiden rijgen zich aaneen tot strengen RNA.

In de juiste verhouding en onder de juiste omstandigheden moet het mengsel tot leven komen. Voor de tweede keer in de geschiedenis van de aarde zou er dan leven ontstaan. Szostak is er van overtuigd dat het kan. „In veel kleine stapjes verandert complexe chemie in simpele biologie”, zegt hij boven een clubsandwich zalm.

Wat is leven eigenlijk?

„Leven is geen goed gedefinieerd begrip. Elke onderzoeker bedoelt er iets anders mee, van complete organismen tot computerleven. Het maakt ook niet uit waar je de grens trekt tussen leven en non-leven. Wat telt is de weg ernaartoe.”

Maar u heeft voor uzelf toch wel een idee waarnaar u op zoek bent?

„Vooruit. Voor mij als bioloog is leven iets dat kan evolueren. Wij proberen een primitieve cel te bouwen die kan evolueren. Een cel die zichzelf kan vermeerderen en daarbij soms fouten maakt, zodat er nieuwe variaties ontstaan. En dat de beste varianten overleven.”

U wilt zelf leven maken?

„Absoluut. Let wel, we hebben het hier over een extreem primitieve vorm van leven. Het simpelste begin. Simpeler dan de simpelste bacterie.”

Zijn bacteriën niet ontzettend simpel?

„Moderne bacteriën zijn het product van miljarden jaren evolutie. Ze bestaan uit duizenden genen en enzymen. Wij zijn op zoek naar een simpele cel met één gen. Als je dat ene gen eenmaal hebt, is het een kleine stap naar twee, drie of vier, of honderd genen.”

Waar begin je als je leven wilt maken?

„Al het leven bestaat uit cellen en alle cellen hebben een membraan dat de cel scheidt van de buitenwereld. Membranen zijn prachtige structuren. Als je simpele moleculen zoals vetzuren mengt met water, vormen ze spontaan blaasjes met een membraan.

„Het was lange tijd een raadsel hoe je zulke blaasjes kunt laten groeien en delen, maar dat hebben we opgelost. Als je maar vetzuren blijft toevoegen, groeien de membranen uit tot filamenten. Die filamenten zijn extreem kwetsbaar. Even zacht zwenken of een pufje lucht, en het filament breekt op in meerdere dochtercellen.

„Dat kun je blijven herhalen. We hebben ook variaties op deze primitieve celcyclus gevonden, waarbij de blaasjes met elkaar concurreren. Als je een paar fosfolipiden aan het membraan toevoegt, verandert het membraan in een vetzuurspons. Cellen met fosfolipiden snoepen vetzuren af van cellen zonder fosfolipiden.”

Zijn concurrerende blaasjes al leven?

„Nee. Daar is meer voor nodig. Een genetisch molecuul dat informatie bevat en gekopieerd kan worden. Zoals RNA.”

Wat is er zo bijzonder aan RNA?

„RNA is in moderne cellen de boodschapper tussen het DNA dat alle genen bevat en de eiwitten die chemische reacties katalyseren. Zo’n ingewikkeld systeem kon natuurlijk niet in één keer verschijnen. De meest redelijke verklaring is dat RNA er het eerste was. We weten dat RNA net als DNA kan coderen voor eiwitten. En dat RNA net als eiwitten reacties kan katalyseren.

„Omdat RNA zo veelzijdig is, denken sommige onderzoekers dat het leven begon met een RNA-molecuul dat zichzelf kon vermeerderden. Een molecuul dat zijn eigen sequentie kon kopiëren.”

Bestaan zulke RNA-moleculen?

„Anderen en ikzelf hebben er lang naar gezocht, maar nooit een overtuigende kandidaat gevonden. Ik vermoed nu dat het allereerste RNA iets anders deed. Iets dat nuttig was voor de cel waarin het was ingesloten. Fosfolipiden maken bijvoorbeeld. Dan zou het nuttig zijn om meer kopieën van dat RNA hebben en over te dragen op de volgende generatie cellen.

„Bovendien denk ik dat die eerste RNA-moleculen gekopieerd werden door pure chemie en niet door een enzymatisch werkend RNA-molecuul. Andere onderzoekers hadden dat idee al opgegeven. ”

Waarom?

„RNA-replicatie met chemicaliën is traag en soms worden de bouwstenen, nucleotiden, op de verkeerde manier aan elkaar geregen. De ruggegraat van de RNA-streng is dan niet meer homogeen.

„Mensen zagen dat altijd als een probleem, maar uit onze experimenten blijkt dat een kleine verbuiging in de ruggegraat niet uitmaakt. Het RNA vouwt zich toch wel in de juiste vorm. Onzuiver RNA is misschien niet perfect, maar het is goed genoeg.”

Heetwaterbronnen in de diepzee worden vaak genoemd als de plek waar het leven ontstond. Bent u het daarmee eens?

„Nee. Ik denk dat het ergens op land gebeurde, in een meer of een poel. Op het aardoppervlak regent cyanide neer dat hoog in de atmosfeer wordt gemaakt. Cyanide vormt de basis voor belangrijke bouwsteentjes als suikers en nucleotiden. Door verdamping dikten die bestanddelen in tot een rijk brouwsel.”

Een klassieke oersoep?

„Ja. Zo’n mengsel kon de eerste protocellen een lange tijd onderhouden. Uiteindelijk verbruikten die cellen wat de natuur hun gaf en moesten er nieuwe oplossingen evolueren.”

Het eerste leven lag vlak na de geboorte aan de beademing?

„Ja, als je het zo wil zien. Hoe simpeler de cel, hoe complexer de omgeving moet zijn om die cel in leven te houden. Pas toen cellen complexer werden, konden ze leven op plekken waar niet alle bouwstenen werden aangeleverd.”

Hoe snel ontstond het leven?

„De aanloop was lang, maar het leven zelf ontstond snel. De aarde ontstond 4,6 miljard jaar geleden. Het vormen van oceanen en land nam miljoenen jaren in beslag. Het opvullen van een reservoir vol organische verbindingen duurde misschien honderdduizend tot duizend jaar. Maar zodra alle bouwsteentjes aanwezig waren, kan het snel zijn gegaan. RNA is een delicaat molecuul. Het bestaat niet lang. Het duurde misschien een paar dagen tot een week voor de eerste celdeling.”