De oeroceaan op zakformaat

Over de oorsprong van leven kun je eindeloos speculeren en discussiëren. Eloi Camprubi Casas besteedt zijn tijd liever aan experimenten om iets wijzer te worden over wat er grofweg vier miljard jaar geleden op aarde is gebeurd. Hij is postdoc aan de Universiteit Utrecht en Fellow bij het Origins Center. Om te begrijpen hoe de eerste chemische stapjes richting leven werden gezet, heeft hij een oorsprong-van-leven-simulator ontworpen en gebouwd. Dat klinkt intrigerend.

Vol verwachting stap ik naar binnen, maar wat ik dan zie is een heel gewoon chemisch lab. Lange werkbanken vol glaswerk en tegen de muur een rij zuurkasten. Niks bijzonders. Terwijl ik rondkijk op zoek naar de simulator, tovert Camprubi Casas een klein glazen plaatje tevoorschijn. “Kijk, hier draait het om”, zegt hij triomfantelijk. Mijn verbaasde reactie zorgt voor een grijns die ik zelfs door zijn mondkapje heen kan zien.

Het plaatje is een zogeheten microfluidics-chip; een glazen rechthoekje waarin minuscule kanaaltjes zijn geëtst, zodat er vloeistoffen doorheen kunnen stromen. De kanaaltjes hebben de vorm van de letter Y, waarbij in iedere ‘arm’ een vloeistof of oplossing wordt gespoten die in de ‘stam’ bij elkaar komen, zodat daar chemische reacties plaatsvinden. Onderaan de Y komt het mengsel er weer uit en wordt het opgevangen voor analyse.

Hoge druk

Waarom moet het op zo’n piepkleine schaal? We hebben het hier over volumes van enkele microliters (een duizendste milliliter). Daarvoor heeft Camprubi Casas twee redenen. De eerste heeft te maken met de hoge druk die nodig is, tot wel 75 bar. Ter vergelijking, de ‘normale’ druk waar wij onder leven is ongeveer 1 bar. “We proberen de omstandigheden na te bootsen zoals je die bij een bron in de diepzee aantreft en daar heerst een enorm hoge druk”, legt hij uit. “Om in het lab water of vloeistoffen zo samen te persen, dat gaat niet bij gangbare volumes, zeker niet op een veilige manier. Onze microfluidics-chip plaatsen we in een speciale metalen container en die komt in een metalen cilinder die weer in een afgeschermde opstelling zit en dan kunnen we onder heel hoge druk de vloeistoffen erin spuiten zonder dat de boel uit elkaar klapt.”

De andere reden heeft te maken met de controle op de experimenten. “Tijdens mijn promotieonderzoek in Londen werkte ik met relatief grote opstellingen van ongeveer twee liter om de vorming van zogeheten black smokers, de schoorstenen op de oceaanbodem, na te bootsen. Er vormen zich dan spontaan wel allemaal interessante structuren, maar ze zijn elke keer anders.” In die grotere volumes spelen factoren als stroming, warmteverdeling en concentratieverschillen allemaal mee en die zijn moeilijk om exact gelijk te houden. “Herhaling van hetzelfde experiment leverde steeds weer net andere resultaten. Daar kun je dus niks mee.”

Met de overstap naar microfluidics hoopt hij dat probleem te omzeilen. “Nu kunnen we heel goed alle omstandigheden onder controle houden. Natuurlijk is het technisch ingewikkeld om het zo te doen, maar als het lukt hebben we straks heel solide, betrouwbare resultaten die je steeds weer krijgt als je het experiment herhaalt. Dat is belangrijk om verder te komen.”

Oceaan vol ijzer

In de microfluidics chip brengt Camprubi Casas twee oplossingen bij elkaar. Via de ene ingang stroomt nagebootst oceaanwater naar binnen. “Het water van de oeroceaan was licht zuur door het opgeloste koolstofdioxide en bevatte veel ijzer. Wij gebruiken daarvoor een mengsel van onder meer koolstofdioxide, zoutzuur, ijzerdichloride en fosfaat.” De andere ingang levert de basische oplossing die vanuit de aardkorst naar boven komt, met daarin onder meer natriumsulfaat en opgelost waterstofgas. Dat laatste is explosief, nog een reden om de experimenten op heel kleine schaal en in een speciaal daarvoor uitgeruste opstelling te doen.

Op deze manier ontstaat een zogeheten laminaire stroming. “De twee oplossingen raken elkaar, maar ze mengen niet. Ze stromen als het ware langs elkaar heen.” Dat is precies wat Camprubi Casas wil, want zo ontstaat een systeem met een verstoord evenwicht. Het oceaanwater heeft een tekort aan elektronen, terwijl de andere oplossing een overschot heeft. Dat gaat tegen de natuurwetten in, omdat dit verschil zorgt voor een ‘voorraad’ aan energie en dat is niet de bedoeling. Energie moet worden verbruikt, niet opgeslagen.

Katalytische laag

“Waar de twee stromen elkaar raken gebeuren de interessante dingen. Hier ontstaat een neerslag [vaste stof, red.] van het ijzer uit de ene laag en de zwavel uit de andere.” Deze ijzer-zwavel-combinatie werkt als een katalysator, een stof die een chemische reactie versnelt. “Wij hopen te zien dat de elektronen uit de basische laag door de katalytische ijzer-zwavel-barrière gaan richting het koolstofdioxide in de andere laag en dat daardoor nieuwe stoffen worden gevormd zoals mierenzuur, het meest eenvoudige zuur dat slechts één koolstof bevat. Die stap is het begin van de vorming van grotere organische moleculen met meer koolstofatomen. Als dat lukt, laten we zien dat je vanuit koolstofdioxide in die omstandigheden tot allerlei moleculen komt die we nu ook zien in de biologie.”