Het precieze recept voor de oersoep waarmee het leven 4 miljard jaar geleden begon weten we niet. Maar een team van Amerikaanse en Italiaanse chemici heeft nu een missend ingrediënt ontdekt. De vondst brengt de creatie van een primitieve kunstmatige cel een stapje dichterbij.
Animatie van een protocel met simpele vetzuren in het membraan. RNA zit binnenin.
Jack Szostak / HarvardHoe zou de eerste cel eruit hebben gezien? Wetenschappers die de oorsprong van leven onderzoeken proberen kunstmatig zo’n primitieve cel te maken. Een klus met de nodige problemen die nog verre van opgelost zijn.
Nobelprijswinnaar Jack Szostak van Harvard en zijn collega van de Roma Tre Universiteit (Italië) vonden een molecuul waarmee ze nu een geloofwaardig model van de eerste cel kunnen neerzetten. Ze beschreven de werking van het molecuul, citroenzuur, deze week in de online editie van Science.
RNA-wereld
In de jaren zestig speculeerden biologen, waaronder dubbele helix-ontdekker Francis Crick, voor het eerst over de dubbele rol van RNA: als opslagmolecuul voor genetische informatie en als katalysator voor chemische reacties. Dat leidde tot de hypothese dat het eerste leven op aarde gebaseerd was op RNA.
Het wordt algemeen aangenomen dat RNA het eerste molecuul was dat zichzelf spontaan kon verdubbelen. Essentieel om het eerste leven op weg te helpen. RNA bevond zich hoogst waarschijnlijk in een blaasje van simpele vetzuren. Dit systeempje zou je kunnen zien als de eerste cel, oftewel een ‘protocel’.
Bij pogingen een protocel te maken stuitten wetenschappers op veel obstakels. Eén daarvan was dat voor de spontane verdubbeling van RNA magnesium-ionen nodig zijn. Normaal zijn enzymen betrokken bij de verdubbeling van DNA en RNA maar ten tijde van de eerste cel bestonden enzymen nog niet. Het probleem was dat magnesium ook aan de vetzuren van het blaasje plakt. Gevolg? De protocellen in het lab stortten in elkaar.
Missend molecuul
Hoe kon RNA dan de omstandigheden op de jonge aarde overleven als het blaasje kapot gaat? Er moet wat in de oersoep hebben gedreven dat de RNA-protocel in stand hield.
Tijdens hun zoektocht screenden de onderzoekers eerst een rits moleculen die in staat zijn vetzuurblaasjes te beschermen tegen afbraak door magnesium. Dat leverden een paar kandidaten. Maar één molecuul sprong eruit: citroenzuur. Citroenzuur ging namelijk nog een stap verder en liet ook de verdubbeling van RNA efficiënter verlopen.
De celcyclus van een protocel op de jonge aarde. Eerst is er verdubbeling van het RNA. Nucleotiden van buiten de cel sluipen tussen de vetzuren van het blaasje door naar binnen. Daar verlengden ze de RNA-streng. Na de verdubbeling splitst de protocel zich in tweeën.
K. AdamalaCitroenzuur in de natuur
“Dit resultaat past heel goed binnen het proces van het stapsgewijs dichterbij brengen van een route hoe een levende cel is ontstaan”, zegt Jan van Hest, hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Hij werkt zelf ook aan kunstmatige cellen.
In alle organismen wordt energie vrijgemaakt uit koolhydraten, vetten en eiwitten in de citroenzuurcyclus.
Wikimedia Commons, Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins en JoostyBoy via CC BY-SA 3.0“Szostak maakt aannemelijk dat je met simpele bouwstenen een compartiment kunt maken en daarbinnen een cruciaal proces kan laten plaatsvinden. Stabiel en efficiënt, zonder dat het instort.”
Het is niet vreemd dat Szostak met citroenzuur aankomt: het is een veel voorkomend zuur in de natuur. “Het is een bekende binder van metaalionen”, legt van Hest uit. “En het is zeer interessant dat dit systeem de balans behoudt dankzij dit molecuul.”
Volgens Szostak was citroenzuur waarschijnlijk niet in de vereiste hoeveelheid aanwezig op de jonge aarde. Hij denkt dat simpele peptiden – kleine ketens van aminozuren – die zich hetzelfde gedragen als citroenzuur het klusje opknapten. Naar die peptiden gaat hij nu op zoek.