Leven is nooit echt in balans: wat in evenwicht is, is dood

Het eerste leven Hoe is ooit leven ontstaan? Op de oceaanbodem? In een Gronings lab werken wetenschappers aan synthetisch leven. Het grote antwoord is er nog niet.

Alles wat in evenwicht is, is dood. Breng wat levenloze moleculen bij elkaar, laat het mengsel een poos staan, en er zal snel een energetisch gunstig evenwicht ontstaan. Een doods evenwicht.

Al het leven op aarde is bezig om een voortdurende stroom van chemicaliën en energie tot zich te nemen, te verwerken, in te bouwen en uit te scheiden, vanuit een statische omgeving.

Het leven op aarde is zo’n vier miljard jaar geleden ontstaan uit een levenloze wereld. De oudste fossielen van archaea, een primitieve levensvorm, zijn 3,5 miljard jaar oud, maar sommige modellen tonen aan dat het eerste leven misschien al 4,5 miljard jaar geleden is begonnen. Dat uit het levenloze op een dag leven is ontstaan, daarover zijn veel wetenschappers het wel eens. Maar hoe is dat gebeurd? En hoe onderzoek je dat?

Dan kun je bovenaan beginnen: vlak bij een moderne cel. Maar sommige wetenschappers beginnen onderaan: wanneer ontstond die allereerste chemische disbalans?

Zij zoeken naar gelijkenissen tussen de elektrochemie van een cel en die van de aarde. Alle cellen op aarde maken gebruik van ‘protongradiënten’: buiten de cellen bestaat een hoge concentratie protonen – positief geladen waterstofatomen – terwijl die in de cel laag is. Daardoor ontstaat een gradiënt: een cel-inwaartse stroom van protonen. In het celmembraan – dat de binnenkant van de cel van de buitenkant scheidt – zit een groot eiwit. Dat maakt gebruik van de energie in die protonenstroom – als een watermolen in een rivier – en het maakt het molecuul ATP aan. Daarin zit chemische energie opgeslagen, brandstof voor de cel.

Het leven komt voort uit natuurkunde, niet scheikunde

Michael Russell geochemicus

Ook in de oceaan bestaan zulke gradiënten. Voor een indruk kun je terecht bij Lost City, een relatief jonge heetwaterbron op de bodem van de Atlantische Oceaan, vertelt Michael Russell. Hij is geochemicus aan de Universiteit van Turijn en grondlegger van het idee dat leven kan zijn ontstaan bij een bron zoals Lost City. Met een collega, Allan Hall, publiceerde hij voor het eerst over de theorie in 1988, aan de Universiteit van Strathclyde in Glasgow. „We voorspelden het bestaan van Lost City”, zegt Russell. „Tien jaar later werd het gevonden.”

Bronnen zoals die van Lost City ontstaan uit de bewegingen van de aarde. Lost City bestrijkt een gebied van ongeveer 500 vierkante meter. Het is ontstaan na samentrekkingen van de aardmantel, een steenlaag tussen de aardkorst en de aardkern. Zo kwamen scheuren in de oceaanbodem, waardoor zeewater met het daarin opgeloste koolstofdioxide (CO2) tot drie kilometer onder de bodem kon zakken. Onder hoge druk ontstaat het gesteente serpentiniet. Bij de chemische reacties bij de vorming hiervan ontstaan voor het leven relevante moleculen: waterstof (H2) en methaan (CH4). Het mengsel is erg basisch (met een pH van 11) en heeft een temperatuur van zo’n 150°C. Door hoger oplopende druk wordt het mengsel de zee in gespoten, die juist zuur is (pH 5,5). Wanneer de basische vloeistof met het zure zeewater in contact komt, slaat een witte vaste stof neer. Die vormt de grote witte schoorstenen van Lost City en werkt als een membraan.

Het begin is er

„De baarmoeder van het leven”, noemt Russell de plek. De vloeistof uit de aardkorst blijft door het membraan afgesloten van het zeewater. Daarbinnen blijft de vloeistof rijk aan metalen en mineralen. En in het zeewater aan de buitenkant bevinden zich meer protonen dan erbinnen: een protongradiënt, zoals in een levende cel. Er staat een stroomspanning van 800 millivolt over de barrière. Opvallend genoeg staat over het celmembraan van bacteriën een vergelijkbare spanning. Die spanning levert genoeg energie om voor het leven belangrijke reacties aan te drijven.

In de afgesloten vloeistof reageert koolstofdioxide met waterstof en methaan, waarbij formaldehyde ontstaat. En dáár gebeurt het, denkt Russell. In het membraan zit bijvoorbeeld een mineraal, fougeriet, dat de protongradiënt zou kunnen gebruiken om energie op te slaan. Die energie zou weer gebruikt kunnen worden om acetaat te maken. Het is een organisch molecuul – een koolwaterstof – dat makkelijk reageert tot de belangrijke moleculen in het leven. Eiwitten, celmembranen, dna, rna, vetten, suikers: het zijn allemaal organische moleculen. Je zou kunnen zeggen: het begin is er.

Het is moeilijk om voor te stellen dat dna en eiwitten tegelijkertijd zijn ontstaan

Sijbren Otto hoogleraar systeemchemie

Schuivende aardplaten zouden dus de drijvende kracht kunnen zijn geweest achter het ontstaan van leven. „Het leven komt voort uit natuurkunde, niet scheikunde”, zegt Russell daarom. „Het leven is zó groot dat het om meerdere invalshoeken vraagt. Het leven is elektrisch. Het leven laat koolstofdioxide met waterstof reageren. En het leven blijft weg van evenwichten.”

In het noordwesten van de stad Groningen, net onder zeeniveau, staat het lab van Sijbren Otto. Hij is hoogleraar systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Waar Russell vanaf de onderkant werkt – hoe ontstonden complexe moleculen? – werkt Otto van bovenaf: hoe werd de laatste stap naar leven gezet?

In het lab probeerde zijn groep meer dan tien jaar geleden organische moleculen te laten omvouwen, maar in plaats daarvan gingen de moleculen ringen vormen en opstapelen tot lange slierten. En als het mengsel geroerd werd, deelden de slierten. Het systeem vertoonde zo exponentiële groei en de moleculen repliceerden – allebei eigenschappen van leven. In 2010 publiceerde Otto erover en sindsdien probeert hij synthetisch leven na te maken.

Replicerende moleculen

„Het ontstaan van het leven is zo’n lastige vraag, dat het moeilijk is om een logische ingang te vinden”, zegt Otto. „Wat is leven? Dat is al moeilijk te definiëren, maar je kan wel kenmerken opstellen. Het moet kunnen repliceren, het moet aan metabolisme doen – dus het moet zichzelf in stand kunnen houden met materialen uit de omgeving – het moet in een compartiment gescheiden van de omgeving zijn, en er moet evolutie kunnen plaatsvinden.”

Het systeem dat zijn groep ontwikkelde, is inmiddels zo ver ontwikkeld dat moleculen er kunnen repliceren, en dat het systeem compartimenten kan vormen en zelfs metabolisme kan vertonen. „De individuele karakteristieken nabootsen is niet zo moeilijk”, zegt Otto. „Maar het wordt een stuk ingewikkelder als je het geheel in een membraan wil laten ontstaan.”

Metabolisme is de meest recente triomf: in het systeem zitten moleculen die reacties katalyseren – aanjagen en versnellen – waaruit de eigen bouwblokken opnieuw ontstaan. Zo kan het zichzelf in stand houden uit materiaal dat het in zijn omgeving vindt. „Als het ook nog een membraan om zich heen kan bouwen, en het geheel kan groeien en delen, moet het mogelijk zijn om darwiniaanse evolutie te krijgen. Dan hebben we een chemisch systeem in elkaar gedraaid waar alle componenten van leven inzitten.”

Maar hoe kan moleculaire complexiteit verder zijn gaan opstapelen tot leven? Welk molecuul is gaan repliceren en evolueren zodat er leven ontstond?

Tientallen jaren in het lab

In de jaren zestig kwam daarop al een antwoord: rna-moleculen! „Die aanwijzingen komen uit het huidige leven, waar rna een tussenrol speelt tussen dna en eiwitten”, zegt Otto. In cellen bevat het dna de informatie die nodig is om eiwitten te maken, maar om die eiwitten te maken moet eerst rna gemaakt worden. „Het is moeilijk om voor te stellen dat dna en eiwitten tegelijkertijd zijn ontstaan, maar rna kan een beetje wat allebei doen. Rna kan net als eiwitten reacties katalyseren, en ook net als dna genetische informatie opslaan.”

Deze ‘rna-wereld’-hypothese werd in de vorige eeuw erg populair, maar begint kracht te verliezen, zegt Otto. „De belangrijke vraag was: kan rna zich uit zichzelf repliceren? Daar zijn mensen tientallen jaren in het lab mee bezig geweest, maar daar blijft het een beetje steken.”

Het verbluffende is dat in beide sets 172 dezelfde moleculen zijn

Stuart Kauffman hoogleraar biochemie

„Dat het nooit goed gelukt is, is wonderlijk”, zegt ook Stuart Kauffman, emeritus hoogleraar biochemie aan de University of Pennsylvania en grondlegger van een belangrijke alternatieve theorie over het begin van leven. Die luidt: gecompliceerde biologische systemen zijn ontstaan uit een grote hoeveelheid samenwerkende moleculen, die zichzelf zijn gaan organiseren. Bij Kauffman begint het met het metabolisme. Dat systeem van samenwerkende moleculen is zichzelf in stand gaan houden op een manier die lijkt op het metabolisme van Otto. Het systeem kon groeien, complexer worden, tot uiteindelijk eiwitten, rna en dna konden ontstaan.

„Het idee is dat het leven begon met een set van moleculen, die elk het ontstaan van andere moleculen in het systeem aansturen”, zegt Kauffman. Toen Kauffman in 1967 over het idee publiceerde, benaderde hij de vraag als theoretisch bioloog, maar de nieuwste studies over zulke netwerken zijn ook wiskundig. „Je kan wiskundig aantonen dat als moleculaire diversiteit zich binnen een systeem vergroot, het systeem zich plotseling anders gaat gedragen. Elk molecuul heeft een kleine kans om de reactie tot een ander molecuul in het netwerk te katalyseren. Zo ontstaat uit het niets een autokatalytische set moleculen. Vijftig jaar na mijn publicatie lijkt het er steeds meer op dat ik het geluk heb dat ik gelijk had”, zegt hij.

Een grote diverse set

De 81-jarige Kauffman werkt nog steeds mee aan onderzoeken. Gedurende zijn carrière werkte hij aan het idee dat deze autokatalytische moleculaire netwerken bestonden uit peptiden, heel kleine stukjes eiwit – de moleculen die volgens Russell op de bodem van de oceaan konden ontstaan.

Maar daar zat Kauffman er helemaal naast, zegt hij nu zelf. „Het gaat om een grote diverse set van ‘kleine moleculen’. Ik was niet slim genoeg om te bedenken dat dat mogelijk was.” Grotere moleculen als eiwitten en rna ontbreken, maar de bouwstenen ervan waren er wel al.

Een vorig jaar uitgekomen studie waar hij zelf aan meewerkte, is het bewijs, zegt Kauffman. De hoofdauteur, Joana Xavier, vergeleek bacteriën van meer dan twee miljard jaar oud met ongeveer even oude archaea – primitief eencellig leven. In beide cellen vond ze een autokatalytische set van kleine moleculen die zichzelf voortplanten zonder dat er dna, rna of eiwitten voor nodig zijn. Beide sets bestaan uit ongeveer driehonderd tot vierhonderd moleculen. Kauffman: „Het verbluffende is dat in beide sets 172 dezelfde moleculen zijn. We denken dat die van de laatste universele voorouder komen, waaruit al het leven voortkwam.”

De 172 moleculen van Kauffman, de bronnen van Russell, de mengsels van Otto: het zijn verkenningen, maar hét grote antwoord is nog niet gevonden. Otto: „We weten nog te veel niét om een gedetailleerd pad van de oorsprong van het leven te schetsen.”

Illustraties Jasmijn van der Weide