Darwin in een druppel water

Groningse moleculen bootsen leven en evolutie na

Voortplanten en soorten vormen: dat kenden we tot nu toe alleen van levende organismen. In Groningen kun je moleculen vinden die in reageerbuisjes hetzelfde doen. Hoe zit dat?

Tekst: Jean-Paul Keulen

Soms is het mooiste cadeau iets waar je niet om gevraagd had. Dat gebeurde hoogleraar organische chemie Sijbren Otto van de Rijksuniversiteit Groningen. Hij probeerde met zijn team moleculen te maken die net zo zijn gevouwen als eiwitten.

(credits: Kees van de Veen/HH)Alles begint met een druppel water in een reageerbuisje (credits: Kees van de Veen/HH)

In plaats daarvan ontstond in de reageerbuis met een halve milliliter water iets anders: molecuul dat zichzelf kan reproduceren.

Bouwstenen, ringen en stapels

Toegegeven, Otto vond niet het állereerste molecuul dat dit trucje beheerst. ‘Maar  eerdere moleculen konden steeds maar één kopie van zichzelf maken, waar ze dan zelf aan vast bleven plakken. Het molecuul en zijn kopie deden daarna niets meer’, vertelt de scheikundige. Zijn molecuul blijft zichzelf daarentegen kopiëren. Hoe dat in zijn werk gaat? Je begint met een druppel water waar de bouwstenen voor het molecuul in rondzwemmen. Samen vormen zij ringen van diverse afmetingen. Zo zijn er ringen van drie, vier, vijf, zes of nog meer bouwstenen  mogelijk. ‘Als die eenmaal zijn ontstaan, gaan ze voortdurend in elkaar over. Een ring van zes bouwstenen, een 6-ring, raakt bijvoorbeeld een bouwsteen kwijt en wordt zo een 5-ring. En als die kwijtgeraakte bouwsteen dan in een 3-ring  belandt, wordt dat een 4-ring.’

Dat gaat zo door totdat meerdere ringen van hetzelfde formaat aan elkaar blijven plakken en zo een stapeltje vormen. Vanaf dat moment staan ze hun bouwstenen niet langer af. Ringen van gelijk formaat worden uit het omringende water geplukt en aan de stapel toegevoegd. Zo groeien de stapels meer en meer, net zolang tot het water vrijwel niets anders meer bevat. Deze stapels zijn opgebouwd uit de zogeheten replicatoren waar het allemaal om draait: de moleculen die in staat zijn om zichzelf te reproduceren.

(credits: ICMS Animation Studio)De stapels ringen die samen een molecuul vormen zijn opgebouwd uit replicatoren. Die zijn, zoals de naam al zegt, in staat zichzelf te reproduceren (credits: ICMS Animation Studio).

Nieuwe ‘soorten’

Otto vroeg zich af wat er zou gebeuren als je twee verschillende bouwstenen in het water stopt. Laten we ze A en B noemen. Krijg je dan één type replicator die beide bouwstenen gebruikt? Of ontstaan er twee soorten replicatoren: een van bouwsteen A en een van bouwsteen B? ‘Je zou het kunnen vergelijken met hoe er in de natuur soms twee voedselbronnen  beschikbaar zijn’, vertelt Otto. ‘Dan heb  je één soort die beide voedselbronnen gebruikt, of twee soorten die ieder één voedselbron gebruiken.’

Tijdens dit experiment ontstonden in eerste instantie replicatoren die een voorkeur hadden voor bouwsteen A. Maar op termijn kwamen daaruit ook replicatoren voort die juist liever bouwsteen B wilden. ‘Dat is vergelijkbaar met hoe in de biologie soortvorming plaatsvindt’, vertelt Otto. ‘Daar heb je ook te maken met mutaties die uiteindelijk leiden tot het ontstaan van een nieuwe soort.’

Molecuul als roofdier

Eerder dit jaar deden Otto en zijn collega’s een experiment dat minder fraai gedrag uit de natuur liet zien. De onderzoekers begonnen deze keer met twee reageerbuisjes: de één met bouwsteen A, de ander met bouwsteen B. In het eerste buisje ontstonden onmiddellijk  replicatoren, in het tweede buisje kwam de productie daarvan maar nauwelijks op gang. Vervolgens voegde Otto wat replicatoren uit het eerste buisje toe aan het tweede.  Gevolg: daar groeiden nu plotseling wél replicatoren uit bouwsteen B, bovenop de replicatoren van bouwsteen A. Dankzij de A-replicatoren konden de B-replicatoren zich dus voortplanten. Daarop deden de kersverse B-replicatoren iets dat je als ‘ondankbaar’ zou kunnen betitelen. ‘Ze scheurden de replicatoren gemaakt van bouwsteen A aan stukken’, vertelt Otto. ‘De bouwstenen die zo vrijkwamen, gebruikten ze om zichzelf nóg verder te vermenigvuldigen. Dat zou ik parasitair gedrag of zelfs roofdier gedrag noemen.’

Veren en stapels

Heel leuk natuurlijk, dat moleculen soortvorming laten zien als je ze verschillende soorten ‘voedsel’ voorschotelt, of dat de een de ander sloopt. Maar Otto wil nog een stap verder gaan. ‘We willen open-einde-evolutie. Dat wil zeggen dat de replicatoren niet alleen dingen doen die wij bedacht hebben, maar dat ze zelf nieuwe dingen gaan uitvinden.’
Dat klinkt als iets voor de verre toekomst, maar het eerste voorbeeld heeft zich al aangediend. Het blijkt dat de replicatoren  ervoor zorgen dat de bouwstenen in het omringende water sneller samengaan tot ringen dan in water zonder replicatoren. En dat is gunstig voor de replicator zelf. Die bestaat immers uit een stapel ringen. Met losse bouwstenen kan zo’n stapel niets, met ringen kan hij groter worden. Ook hier heeft Otto een vergelijking met de evolutie paraat. ‘Soms wordt iets met een bepaald evolutionair doel gekaapt om een heel ander doel te bewerkstelligen. Neem veren. In eerste instantie hadden die de functie een dier warm te houden. Maar toen bleek dat je er ook mee kunt vliegen. Op een vergelijkbare manier ontstaan hier eerst stapels van ringen als een manier voor moleculen om zichzelf te  kopiëren. Vervolgens blijken die stapels ook nog eens voor hen gunstige chemische reacties in hun omgeving te kunnen versnellen.’

Wat is leven?

Als de stapels van Otto allerlei dingen doen die levende wezens ook doen, mag je ze dan een vorm van leven noemen? ‘Tja, dan kom je bij de vraag: wat is leven? Daar hebben we nog geen echt antwoord op. Wel kun je een lijstje maken van voorwaarden waar leven aan moet voldoen. Eén zo’n voorwaarde is dat leven moet kunnen reproduceren. Dat doen onze moleculen. Daarnaast moeten ze een stofwisseling hebben. Het versneld laten samengaan van bouwstenen zodat ze zelf bruikbare ringen vormen, kun je zien als een eerste stap in die richting. Tot slot wil je dat een levensvorm één afgesloten geheel vormt, zoals een cel wordt omhuld door een membraan. Nou, dat is bij ons niet zo. Het gaat in dit geval om sliertjes die vrij in een vloeistof rondzweven.’ Leven mag de replicator van Otto dus nog niet heten. Maar hij komt wel aardig in de buurt. En dat voor een molecuul dat de  Groningse wetenschapper ongevraagd als een cadeautje kreeg.

Hoe ontstond het leven?

Kunnen de replicatoren uit het lab van scheikundige Sijbren Otto ons meer vertellen over hoe het leven op aarde kon ontstaan uit levenloze moleculen? ‘De  moleculen waar wij mee werken, zijn waarschijnlijk niet dezelfde als waarmee 3,8 miljard jaar geleden het leven op aarde begon’, zegt Otto. Welke dat dan wel waren, is een vraag waar wereldwijd heel wat wetenschappers mee bezig zijn. Maar hoe die moleculen zichzelf destijds kopieerden, daar wordt minder onderzoek naar gedaan. Misschien gebruikten ze dezelfde truc als de moleculen van Otto: stapels maken van ringen met het juiste formaat. Otto wil de zoektocht naar wélk molecuul destijds aan de wieg stond van het aardse leven combineren met zijn eigen onderzoek. ‘Wie weet komen we dan wel tot een aannemelijk scenario van hoe leven is ontstaan.’

Download


Screenshot magazine-artikel. Klik en download het volledige artikel (pdf)