Interview

‘Een geschenk uit de hemel’

De chemicus die evolutiebioloog wilde worden vond moleculen op de grens van leven.

Sijbren Otto: „Het probleem met chemie is dat je gemakkelijk reut krijgt waar je niet op zit te wachten.” Foto Kees van de Veen

Drie weken lang stond het flesje te schudden in het lab van Sijbren Otto. Dat is veel te lang. Scheikundigen laten hun mengsels van moleculen hooguit een paar dagen reageren. Chemische reacties duren uren, geen dagen.

Maar deze keer was anders. Na drie weken hadden de bouwstenen in het flesje ringetjes gevormd. Die ringen stapelden zich op elkaar en groeiden uit tot een sliert die uiteindelijk doormidden brak. Nu waren er twee slierten, die op hun beurt groeiden en deelden. Dat ging zo door, totdat alle bouwsteentjes op waren.

„Een geschenk uit de hemel”, zegt Otto, adjunct-hoogleraar systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Moleculen die zichzelf vermenigvuldigen vormen de basis van het leven. Denk aan DNA of RNA. Verschillende onderzoeksgroepen zijn op zoek naar een synthetisch alternatief. Maar alleen in het lab van Otto ontstond dat molecuul in 2010 uit zichzelf.

Otto varieert nu op dit ‘chemisch leven’, om te zien waartoe het in staat is. Vorige week liet het team van Otto in Nature Chemistry zien dat als je met twee bouwstenen begint, er ook twee verschillende typen slierten kunnen ontstaan. Otto ziet in dit experiment parallellen met de manier waarop soorten ontstaan in de natuur. De moleculen evolueren, zou je kunnen zeggen.

Otto verontschuldigt zich nog voor we zijn lab binnenstappen: „Het ziet er niet spectaculair uit hoor.” Op de labtafels staan honderden flesjes met blauwe dopjes, met hooguit een paar milliliter vloeistof erin. In deze flesjes zitten de slierten, onzichtbaar delend en groeiend. Het is stil op het lab. Er is weer ijzel op komst, de meeste mensen zijn alvast naar huis.

Hoe werkt dit chemische leven dat u bij toeval ontdekte?

Otto: „De bouwsteentjes bestaan uit ringstructuren, waaraan we stukjes mini-eiwit hebben toegevoegd. Die eiwitten doen wat eiwitten willen doen. Ze stapelen zich op elkaar, net zoals de plaques die bij mensen met Alzheimer in de hersenen ontstaan. Op die manier groeien de ringen uit tot stapels.

„Het echte leven maakt ook gebruik van eiwitten. Aminozuren, waaruit eiwitten bestaan, zijn op meteorieten gevonden. Chemisch gezien is het simpel om die aminozuren aan elkaar te knopen tot eiwit.”

U heeft dus leven nagemaakt?

„Nee, zo ver wil ik niet gaan. Ik spreek liever van een zelfreplicerend molecuul. Dat is een molecuul dat zichzelf kan kopiëren met materialen uit zijn omgeving.

„Bovendien hebben wij dit molecuul niet bedacht, maar gevonden. De eerste replicator maakte zichzelf, na drie weken. Uiteindelijk zat het reageerbuisje vol met dit molecuul. Dat was vreemd, normaal ontstond er een mengsel van verschillende moleculen, nooit één molecuul. Dat was het eerste teken dat er een zelfreplicerend molecuul was ontstaan.

„Op de tijdschaal van de evolutie stelt drie weken natuurlijk niets voor, maar voor een promovendus is het heel wat. Gelukkig was de promovenda destijds zo consciëntieus te werk gegaan en heeft ze het mengsel de tijd gegeven om te reageren.”

Waarom was u zo blij met dit molecuul?

„Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in evolutie. Het liefst had ik paleontologie gestudeerd, maar de kans dat je daarmee een baan vindt is klein. Ik heb toen een rationele keuze gemaakt en ben chemie gaan studeren.

„En toen kreeg ik dat molecuul op een presenteerblaadje aangereikt. Nu kon ik als chemicus toch onderzoek doen naar evolutie. Hoe ontstond het leven? En kunnen we zelf leven maken? Dat zijn twee van de grootste, meest fundamentele vragen in de biologie en chemie.”

Begon het leven op aarde ook met een zelfreplicerend molecuul?

„Sommige mensen denken van wel. Anderen zeggen dat het leven begon als cel, als afgescheiden compartiment. En dan zijn er ook nog onderzoekers die het leven laten beginnen als netwerk van reacties. Het zal wel onduidelijk blijven wat de route naar leven is tot we echt leven in het lab hebben gemaakt.”

Waarom is het zo moeilijk zelfreplicerende moleculen te vinden?

„Het probleem met chemie is dat reacties zo lastig te sturen zijn. Stel je wilt één bepaald molecuul maken, een medicijn bijvoorbeeld. Dat lukt, maar je krijgt daarbij gemakkelijk reut waar je niet op zit te wachten.

„In de oersoep moet de chemie ook alle kanten op zijn gegaan. Bovendien raakt alles binnen de kortste keren hopeloos verdund. Hoe zorg je er dan voor dat een replicator toegang heeft tot genoeg bouwstoffen? Mijn chemische intuïtie zegt dat die replicator op een of andere geconcentreerd moet zijn geraakt.

„Chemici concentreren stoffen door ze te destilleren, extraheren of te laten kristalliseren. Als je kijkt naar hoe onze ringen zich stapelen, is dat eigenlijk een kristallisatieproces. Het is kristallisatie in één dimensie.”

En nu evolueren uw moleculen?

„Tot nu toe begonnen we steeds met maar één bouwsteen in het mengsel. Dan ontstaat er ook één replicator. Maar toen we een andere bouwsteen aan het mengsel toevoegden, ontstonden er mutanten. Sommige van die mutanten konden de eerste bouwsteen niet goed in hun stapel inbouwen, maar de tweede bouwsteen wel. Er ontstonden uiteindelijk twee sets van replicatoren, elk met een andere chemische basisstructuur. Ja, dat lijkt een beetje op soortvorming in de natuur.”

Als dit geen leven is, wat is het dan wel?

„Wij gaan nu het grijze gebied in. Er bestaat dode materie en er bestaat levende materie. En daartussen zitten wij nu.

„Volgens de veelgebruikte definitie van NASA is leven een zichzelf instandhoudend systeem dat in staat is om darwinistische evolutie te ondergaan. Een chemisch systeem hebben we, en evolutie kunnen we straks misschien ook afvinken. Maar ons systeem kan zichzelf níet in stand houden. Het kan zichzelf alleen vermeerderen zolang wij specifieke bouwstenen aanleveren. Als je het in de natuur zou loslaten overleeft het niet. Van dichtbij voldoet ons systeem dus aan veel voorwaarden voor leven, maar van een afstandje is het maar een primitief speeltje.

„Tegelijkertijd kun je je afvragen in hoeverre het echte leven aan de NASA-definitie voldoet. Het leven op aarde kan zichzelf ook niet in stand houden. Als morgen de zon uitgaat, houdt het op. En ook een muilezel leeft niet, want die kan zich niet voortplanten en evolueren. Dat is het probleem met leven. We weten allemaal wat het is, maar kunnen het niet definiëren.”