Kleine organische moleculen kunnen ook een functioneel reactienetwerk vormen

Chemici van de universiteit van Harvard hebben een belangrijke stap gezet in het ontrafelen van de mogelijke eerste stappen op de route naar leven. In Nature laten ze zien hoe je met simpele moleculen een netwerk bouwt dat complex gedrag vertoont.

11 oktober 2016

Hoe het leven op aarde ooit is ontstaan weten we nog niet. Maar dat losse moleculen met elkaar zijn gaan reageren tot een systeem dat zichzelf in stand wist te houden, te kopiëren en verder te ontwikkelen, dat staat wel vast. Daarvan zijn wij, en alle andere levensvormen op aarde, het bewijs.

Veel biologische processen, zoals bijvoorbeeld celdeling, dag/nacht-ritmes en communicatie via zenuwsignalen, worden aangestuurd door netwerken van aan elkaar gekoppelde chemische reacties. Door deze koppelingen kunnen op zichzelf eenvoudige reacties leiden tot een complexe uitkomst. Daarmee wordt een uitkomst (gedrag of functie) bedoeld die niet te voorspellen is op basis van de afzonderlijke reacties. Een voorbeeld is een reactie die een fluctuerende hoeveelheid product levert, terwijl de uitgangsstoffen steeds aanwezig zijn.

Deze tandwielen kunnen op zichzelf niets. Pas wanneer ze worden gekoppeld aan andere onderdelen ontstaat er een functie. Zo kun je ook kijken naar het ontstaan van leven. Er waren allerlei moleculen aanwezig op aarde voordat er leven was, maar pas toen ze zichzelf organiseerden en aan elkaar gekoppeld raakten, ontstonden er functies. Chemici proberen deze oersituatie na te bouwen door dynamische netwerken van chemische reacties te ontwerpen. Onderzoekers van de universiteit van Harvard is dat nu – in heel eenvoudige vorm – gelukt met moleculen en reactiestappen die ook in de huidige levende organismen een rol spelen.Rusty cogs door Adam Foster via Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Er is een sterk vermoeden dat dergelijke dynamische netwerken ook een rol hebben gespeeld bij het ontstaan van het eerste leven. En dat is waarom Sergey Semenov en zijn collega’s van de universiteit van Harvard (VS) proberen zulke chemische netwerken te bouwen. In Nature publiceerden ze onlangs een nieuwe mijlpaal: het eerste chemische netwerk dat is opgebouwd uit eenvoudige, kleine organische moleculen die zeer waarschijnlijk ook in de oersoep ronddreven.

De algemene formule van een thiol. S: zwavel, H: waterstof, R: willekeurige koolstofketen. Bij een alcohol zit op de plaats van het zwavelatoom een zuurstofatoom.
Wikimedia Commons CC0

Het netwerk is een combinatie van reacties die elkaar stimuleren of juist remmen. Het beoogde product zijn thiolen; dat zijn alcoholen waarin een zuurstofatoom is vervangen door een zwavelatoom. Om die thiolen te vormen hebben Semenov en collega’s een autokatalytische reactie ontworpen. Bij een autokatalytische reactie werkt het reactieproduct zelf als katalysator voor z’n eigen vorming. Dit type reacties zorgt voor een exponentiële toename van het product en ze zijn overal in levende organismen terug te vinden.

Door daarnaast reacties toe te voegen die juist thiolen in verschillende snelheden afbreken of hun vorming remmen, zijn ze erin geslaagd een oscillerend systeem te maken. Ondanks dat de uitgangsstoffen voor de reacties continu worden aangevoerd, is de hoeveelheid product niet constant, maar springt die snel heen en weer tussen twee waarden. Dit heet een oscillerende reactie. En dat is interessant, omdat oscillerende reacties een belangrijke rol spelen in de manier waarop in levende cellen informatie wordt doorgegeven. Daarbij draait het meestal niet om de absolute hoeveelheid waarin een stof aanwezig is, maar juist om de verandering in die hoeveelheid. Een oscillerende reactie kun je zien als een ‘aan/uit’ patroon dat weer andere processen kan aansturen.

Missing link

“Dit is het eerste experimentele voorbeeld van autokatalyse en complex gedrag in een reactienetwerk dat uitsluitend uit eenvoudige organische verbindingen bestaat, die bovendien biologisch relevant zijn”, schrijft Annette Taylor van universiteit van Sheffield in hetzelfde nummer van Nature in een commentaar op het werk van Semenov. NEMO Kennislink publiceerde onlangs nog een interview met Taylor. “Tot nu toe kenden we alleen netwerken op basis van kleine, anorganische verbindingen of waarin grote biomoleculen zoals enzymen of stukken DNA zijn verwerkt. Dit netwerk van Semenov biedt de missing link tussen deze twee uitersten.”

Wilhelm Huck, hoogleraar Fysische en Organische Chemie aan de Radboud Universiteit, laat desgevraagd weten het netwerk van Semenov en collega’s ‘bijzonder elegant’ te vinden. Huck werkt zelf aan het bouwen van een levende cel en kent het werk van zijn voormalige postdoc goed. “Ze gebruiken de chemische brandstof, een disulfide, als bron voor de autokatalytische productie van het thiol. Dit is een heel nieuwe manier om autokatalyse in een serie chemische reacties in te bouwen.”

Zwavelhoudende modderpoel bij de Solfatara, een nog actieve vulkaan in de buurt van Napels. Of de ‘oersoep’ er zo uit zag weten we niet, maar we weten wel dat zwavel in hoge concentraties aanwezig was op de pre-biotische aarde (voordat er leven was).
Patrick Massot via Wikimedia Commons CC BY-SA4.0

Levende cel?

De keuze voor de zwavelhoudende verbindingen vinden zowel Taylor als Huck een goede keuze als je een relatie wilt leggen met het ontstaan van leven. Ook de chemische reacties zelf zijn relevant. Het zijn stuk voor stuk reactiestappen die je terugvindt in levende cellen. Toch moet je oppassen met grote conclusies, vinden beide. Taylor wijst erop dat het systeem van Semenov open is. Er is een continue, gecontroleerde aan- en afvoer van uitgangsstoffen en reactieproducten: “Het lijkt me heel moeilijk om dit netwerk in een afgesloten omgeving met een membraan te plaatsen zodat het meer lijkt op een levende cel. We hebben nog een lange weg te gaan voordat we een petrischaaltje kunnen vullen met wat chemicaliën en dat we dan spontane zelforganisatie zien naar iets wat lijkt op leven.”

Huck begrijpt de kritiek van Taylor, maar vindt dat we niet meteen de vergelijking met levende cellen, zoals we die nu kennen, moeten maken. “Het is helemaal niet zeker dat de eerste levende systemen een membraan hadden. De huidige levende cellen hebben bovendien allemaal speciale transporteiwitten die ervoor zorgen dat de juiste moleculen het celmembraan kunnen passeren.” Maar wat zegt dit alles ons over het ontstaan van leven? “Het vertelt ons iets over hoe moleculen in de oersoep mogelijkerwijs functies hebben ontwikkeld”, aldus Huck. “Zonder nu meteen te concluderen dat deze moleculen aan het oorsprong van het leven stonden of dat ze iets over levende cellen zeggen.”

Bron

S.N. Semenov, et al., Autocatalytic, bistable, oscillatory networks of biologically relevant organic reactions, Nature (2016), doi:10.1038/nature19776
A.F. Taylor, Small molecular replicators go organic, News&Views in Nature (2016), vol 537, p. 627-628