Omer Markovitch bouwt modellen om chemische soortvorming te voorspellen

Voordat er leven was, vertoonden moleculen al gedrag dat lijkt op leven. Zoals voortplanting en evolutie. Omer Markovitch probeert dat gedrag via computermodellen te begrijpen en te voorspellen.

29 mei 2019

Hoe is het leven op aarde ontstaan? Dat is een veel te grote vraag om in één keer te kunnen onderzoeken, vindt Omer Markovitch, postdoctoraal onderzoeker aan de Rijksuniversiteit Groningen en Fellow bij het Origins Center. “Van niet-leven naar leven is geen zwart-wit overgang, maar een proces in verschillende stappen.”

Je kunt op veel verschillende manieren werken aan de oorsprong van leven. Waar begin jij met je onderzoek?

“Ik zal eerst uitleggen waar ik niet begin, en waarom. Een veelgebruikte benadering is om te beginnen bij het leven zoals we dat nu kennen, bijvoorbeeld een eenvoudige bacterie, en die zo ver mogelijk versimpelen totdat je bij de minimale vereisten uitkomt. Dat levert je een heel eenvoudige, ‘minimale’ cel op, maar het probleem is dat ook die cel nog steeds veel te groot en te ingewikkeld is om zomaar spontaan te zijn ontstaan.”

“Je kunt ook beginnen bij de losse moleculen waarvan we weten dat die op de jonge aarde, nog voordat er leven was, aanwezig waren en die nog steeds belangrijk zijn voor leven. Je probeert dan uit te vinden hoe de eerste primitieve levende cel mogelijkerwijs is gevormd vanuit die set zogeheten bouwstenen van leven. Bij deze benadering loop je het risico op tunnelvisie, omdat je er vanuit gaat dat de moleculen die nu belangrijk zijn, ook aan de basis van het eerste leven stonden, maar daarvoor is geen bewijs. Misschien zijn die belangrijke moleculen pas gaandeweg het proces belangrijk geworden en lag het startpunt ergens anders. Als je je blindstaart op een bepaalde set moleculen, sluit je andere mogelijke routes en verklaringen meteen uit.”

Welke benadering blijft er dan nog over?

Zwarte silhouetten van de menselijke evolutie op een witte achtergrond. — Zo stellen we ons evolutie vaak voor. Maar werkte het voor moleculen net zo?
M. Garde o.b.v. José-Manual Benitos via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

“Ik probeer niet het hele proces van niet-leven naar leven te omvatten, maar ik concentreer me op twee stappen in dat proces: voortplanting en evolutie. Iedereen is het er wel over eens dat die beide kenmerken essentieel zijn om te spreken van leven. Ik wil begrijpen hoe die processen op moleculair niveau werken, hoe is dat vermogen ontstaan? We weten dat voordat er leven was, er allerlei verschillende moleculen aanwezig waren en gevormd konden worden. Ik concentreer me echter niet op specifieke moleculen, maar ik kijk op een meer abstract niveau. Wat is er nodig om te zorgen dat verschillende moleculen samen grotere structuren gaan vormen die zich kunnen vermenigvuldigen en aanpassen? Voor mij draait het om chemische evolutie; wat betekent evolutie op het niveau van moleculen?”

Lijkt dat op evolutie zoals we die kennen uit de biologie?

“Ja, dat denk ik wel en ik probeer ook de principes uit de evolutionaire biologie toe te passen op chemische systemen. Chemie en biologie zijn geen gescheiden werelden, we maken allemaal deel uit van dezelfde realiteit en ik denk daarom dat dezelfde regels gelden. Het probleem is dat we die regels nog niet herkennen als we naar moleculen kijken.”

Kun je wel in algemene termen spreken over het gedrag van moleculen? Dat gedrag komt grotendeels voort uit hun specifieke eigenschappen. Ook kleine verschillen tussen moleculen kunnen al zorgen voor compleet ander chemisch gedrag.

“De principes waar ik naar zoek hebben te maken met de onderlinge relaties en interacties tussen moleculen die samen een netwerk vormen. De manier waarop ze met elkaar reageren en vooral de omvang van die interacties heeft invloed op het uiteindelijke gedrag van het hele systeem. Vergelijk het met een levende cel, daarin vinden tegelijkertijd ongelooflijk veel reacties plaats, maar sommige gaan op een bepaald moment heel snel, waardoor ze weer andere reacties in gang zetten of juist afremmen. Het is een gesynchroniseerd geheel dat daardoor kan functioneren. Ik zoek naar het emergente gedrag [gedrag dat niet uit de individuele componenten te voorspellen is, red.] van een netwerk en probeer te achterhalen welke eigenschappen een systeem nodig heeft om specifiek gedrag te laten zien.”

Hoe ziet jouw onderzoek er in de praktijk uit?

“Ik ben vooral bezig met het bouwen en verfijnen van computermodellen die chemische systemen nabootsen. Ik ben in de gelukkige omstandigheid dat ik daarvoor ook echte data uit experimenten kan gebruiken, omdat ik samenwerk met de onderzoekgroep van Sijbren Otto hier in Groningen. Die onderzoekers hebben een systeem van zogeheten chemische replicatoren gemaakt die zich spontaan tot grotere ringen vormen. Die ringen gaan dan stapelen tot een soort vezeltjes die op hun beurt weer interessant gedrag vertonen. Dat systeem is het uitgangspunt voor mijn modellen en ik combineer dat met inzichten uit de evolutionaire biologie om te zien welke omstandigheden nodig zijn om chemische evolutie in gang te zetten.”

Vier soorten ‘Darwinvinken’ met snavels die specifiek zijn gevormd voor hun favoriete voedselbron, bijvoorbeeld zaden of juist insecten.
Kiwi Rex via Wikimedia Commons CC BY SA 4.0

Kun je een voorbeeld geven van een principe uit de biologie dat je gebruikt?

“Soortvorming is een goed voorbeeld. We weten uit de evolutionaire biologie dat de beschikbaarheid en variatie in voedsel een belangrijke drijvende kracht is achter specialisatie en soortvorming. Als er maar een voedselbron is, zal de soort die dat voedsel het snelst en best kan verwerken, dominant worden. Voor andere soorten is dan geen ruimte meer. Maar als er veel variatie in voedsel is, is de kans groot dat er verschillende soorten ontstaan, omdat er meer ruimte is voor specialisatie en minder competitie voor die ene voedselbron. Denk aan de beroemde vinken met de verschillend gevormde snavels die Darwin beschreef.”

Hoe vertaal je dit naar het niveau van moleculen?

“Je gaat dan verschillende bouwstenen aanbieden die allemaal ringen en vezels kunnen vormen, ook in gemengde vorm, maar die verschillen in reactiesnelheid. De replicator die het snelst reageert en consumeert zal in eerste instantie dominant worden, maar wat gebeurt er als de voorkeursbouwsteen opraakt? Volgt er dan aanpassing of wint een andere replicator die misschien langzamer groeit, maar die minder kieskeurig is en met verschillende bouwstenen kan werken? Door steeds kenmerken en omstandigheden aan te passen hoop ik te ontdekken wat nou de meest bepalende factoren zijn om soortvorming te laten optreden.”

Waar baseer je je keuzes op? Hoe zorg je dat je modellen nog raken aan de chemische werkelijkheid?

“Het is geen volledige willekeur, ik baseer me op de data uit de chemische experimenten uit de groep van Otto. Dat is mijn uitgangspunt en dan kies ik replicatoren die wel iets verschillen van de bestaande, maar ook weer niet zo veel dat ze niet met elkaar zullen reageren. Daarin kun je wel geïnformeerde keuzes maken. Tegelijkertijd blijft het een keuze, dus je weet het nooit. Maar er is doorlopend uitwisseling tussen de experimenten in het lab en de resultaten uit mijn modellen, waardoor ik mijn schattingen en keuzes steeds weer kan verbeteren.”

Wat hoop je uiteindelijk te kunnen leren uit je modellen?

“Mijn ultieme doel is om de universele regels van evolutie te achterhalen.”

Dat is wel heel ambitieus.

“Ja, en dat zal ook niet zomaar lukken. Mijn project loopt nog twee jaar door en ik hoop in die tijd te leren wat je nodig hebt om bijvoorbeeld in een systeem met tien verschillende replicatoren de condities zo te kiezen dat uiteindelijk vijf soorten ontstaan en zich verder ontwikkelen. Als het me lukt om te voorspellen welke experimentele omstandigheden je nodig hebt om zo’n resultaat te bereiken, zou dat echt een enorme stap zijn.”

Serie interviews met Origins Center Fellows

Dit artikel hoort bij een serie van interviews met de ‘research fellows’ (postdoctorale onderzoekers) van het Origins Center.

Het Origins Center is een Nederlands samenwerkingsverband dat wetenschappers uit heel diverse onderzoeksgebieden bij elkaar brengt rond een van de grote vragen in de wetenschap, namelijk de oorsprong van leven op aarde en in het heelal. Het onderzoeksprogramma omvat vijf hoofdthema’s: