'De dood moeten we nog inbouwen in ons systeem'

In de biologie betekent evolutie dat organismen geleidelijk veranderen in andere soorten doordat ze mutaties oplopen. Daardoor ontstaat er variatie in een populatie. Sommige mutaties maken het organisme beter aangepast aan zijn omgeving. De individuen met zulke voordelige mutaties hebben meer kans te overleven en dus om nakomelingen op de wereld te zetten. De goed aangepaste individuen krijgen steeds meer de overhand in de populatie, waardoor de oorspronkelijke soort geleidelijk overgaat in een nieuwe soort.

Evolutie in een reageerbuis

Maar niet alleen organismen kunnen evolueren. Ook sommige moleculen kunnen zichzelf kopiëren en ondergaan mutatie. In de natuur komen zulke moleculen waarschijnlijk niet meer voor, in de reageerbuisjes van hoogleraar systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen Sijbren Otto wel. Zijn onderzoeksgroep ontdekte een scheikundig systeem waarin kleine stukjes eiwit, de bouwstenen, ringen vormen. De ringen stapelen op elkaar tot een sliert. Door zachtjes in het reageerbuisje te roeren breekt de sliert in tweeën. Vervolgens groeien aan de uiteinden weer nieuwe ringen vast, net zolang totdat de sliert lang genoeg is om weer in tweeën te breken. Deze exponentiële groei blijft maar doorgaan. Tenminste, zolang er bouwstenen zijn.

Soms treden er kleine foutjes op in de stapeling van de ringen, die te zien zijn als mutaties. De gevolgen voor het hele systeem zijn Otto en zijn groep aan het uitzoeken. “Als je het hebt over soortvorming in de biologie, dan praat je al snel over een periode van 10.000 jaar. Dat is lastig onderzoeken. Het leuke aan ons scheikundige systeem is dat het gebeurt op een tijdschaal van dagen”, zegt Otto. Kennislink ging op bezoek bij de Groningse chemicus, die eigenlijk vanwege zijn interesse in evolutie ook wel paleontologie had willen studeren.

Waarom is het geen paleontologie geworden?
“Na de middelbare school leek paleontologie mij inderdaad de leukste studie. Maar daarin zag ik niet zoveel toekomstperspectieven. Over informatica heb ik ook nog nagedacht, maar dat vond ik toch te wiskundig. Uiteindelijk ben ik bij scheikunde uitgekomen, omdat ik het creëren van dingen met moleculen fascinerend vond. Maar voor iemand die paleontoloog had willen worden is mijn werk fantastisch om te doen.”

Nu bent u bezig met chemische in plaats van biologische evolutie. Wat wilt u te weten komen?
“De uiteindelijke hoofdvraag waar we aan werken is ‘hoe maak je leven?’. Omdat dat doel nog ver weg ligt, werken we aan een subdoel, namelijk of we zelf-replicerende systemen kunnen maken die Darwiniaanse evolutie ondergaan. Met andere woorden: moleculen die kopieën van zichzelf maken, muteren en geselecteerd worden zodat de betere mutanten verdergaan en de mindere moleculen het loodje leggen.”

En wanneer is zo’n systeem dan uiteindelijk levend te noemen?
“Voor een definitie van leven refereer ik het liefst aan de NASA-definitie: ‘A self sustaining chemical system capable of undergoing Darwinian evolution.’ Een systeem dat Darwiniaanse evolutie kan ondergaan, daar zitten we niet zo ver meer van af. Maar om een systeem te maken dat zichzelf in stand houdt? Daarvoor moet ik eerst weten wat dat precies inhoudt. Daar heeft nog niemand heeft mij een goede uitleg van kunnen geven.”

Wat moet er nog gebeuren voordat u evolutie in een reageerbuis heeft?
“Wat we nog moeten inbouwen in onze systemen is de dood. Tot nu toe keken we naar hoe we bouwsteentjes zichzelf kunnen laten verdubbelen. Maar Darwiniaanse evolutie kan alleen gebeuren als er ook dingen afsterven. De meest elegante oplossing om de dood te introduceren in ons systeem, is om vanuit de ringen weer terug te gaan naar de losse bouwstenen. Om die vervolgens onmiddellijk te recyclen in een nieuwe ring. Technisch gezien is dit erg lastig. De minder elegante oplossing is dat we een zogenaamd ‘flow systeem’ gebruiken waarbij de moleculen in een container zitten. Daar pompen we een bepaald percentage van het totale volume uit. Dat staat gelijk aan de dood: alles wat we eruit pompen verdwijnt. Vervolgens pompen we dezelfde hoeveelheid materiaal er in de vorm van bouwstenen weer in.”

Maar dan houdt dit systeem zichzelf toch niet in stand?
“Precies, want wij grijpen constant in. Dan komen we weer uit op de vraag of leven überhaupt ‘zichzelf in stand houdend’ is. Volgens mij niet. Er is altijd een energiebron nodig om iets levends aan de praat te houden.”

Hoe kijkt u naar mutatie en soortvorming in dit systeem?
“We begonnen het onderzoek met één bouwsteentje. Maar nu kijken we wat gebeurt er als we meer dan één bouwsteentje toevoegen. Dan heeft het systeem plotseling keuze, waardoor er ook weleens een andere bouwsteen in de ring terechtkomt. Via dit proces kan het systeem in principe muteren. De ringen variëren in samenstelling, en sommige soorten ringen stapelen beter op elkaar dan andere soorten. De één zal harder groeien dan de ander.”

“We storten ons nu op het proces van soortvorming. In de biologie betekent soortvorming dat een nieuwe soort zich afsplitst van een bestaande soort. Daarom gaan we kijken we of we een zelf-replicerend systeem kunnen maken waarbij een ring ook afstamt van een ander. De eerste resultaten lijken veelbelovend. Trouwens, tot mijn grote verbazing is er in de biologie geen goede definitie van soorten te vinden. Geleerden zijn het nog niet over eens wat een soort is. Wellicht kunnen we vanuit een chemisch systeem bijdragen aan die definitie.”

Meer weten over leven maken in het lab met chemische evolutie? Bekijk onderstaand filmpje.

Wat vindt u eigenlijk het mooiste aspect aan een baan als wetenschapper?
“De vrijheid. Ons zelf-replicerende systeem ontdekte we eigenlijk per toeval. We hadden toen de vrijheid om het oude plan in de ijskast te zetten en verder te gaan met onze ontdekking. Daar hoefde ik niemand toestemming voor te vragen. Eigenlijk zouden we onderzoek op die manier moeten financieren: vaker onderzoeksvoorstellen honoreren die de hoogste kans hebben iets te vinden wat niets te maken heeft met de oorspronkelijke opzet. De meeste wetenschappelijke doorbraken stonden immers niet beschreven in het onderzoeksvoorstel, die gebeuren gewoon. Het feit dat we daarop kunnen inspelen in de fundamentele wetenschap is enorm belangrijk.”