Water en een gasmengsel. Meer hebben dé bouwstenen van het leven, aminozuren, niet nodig om spontaan te ontstaan. In 1953 zette het Miller-Urey-experiment de wereld op z’n kop. Hoe zou een oersoepexperiment er nu, zeventig jaar later, uitzien?
Herfst 1951. De net afgestudeerde chemicus Stanley Miller woont in Chicago een college bij van Nobelprijswinnaar Harold Urey. De hoogleraar Scheikunde vertelt dat de atmosfeer van de jonge aarde anders was samengesteld dan vandaag de dag. Methaan, ammoniak, water en waterstof zweefden er destijds rond, dacht men. Urey vertelt dat er in zo’n omgeving spontaan organische verbindingen konden ontstaan, zoals aminozuren. En dat zouden wel eens de cruciale bouwstenen kunnen zijn geweest voor het eerste leven op aarde.
De ideeën van Urey over hoe leven ooit kon ontstaan, blijven in Millers hoofd ronddwalen. Als zijn promotieonderzoek naar elementen in sterren in de soep loopt, besluit Miller in 1952 aan te kloppen bij de hoogleraar. De jonge chemicus wil Ureys ideeën over het ontstaan van leven in de praktijk brengen, middels een zogenoemd prebiotische synthese-experiment. Prebiotisch betekent vóór het ontstaan van leven. Hoewel Urey zelf het belang van zulke experimenten aanstipte tijdens zijn college het jaar ervoor, wijst hij Miller de deur. Promovendi moeten experimenten doen met een hogere kans van slagen, vindt hij. “Ga maar bepalen hoeveel thallium er in meteorieten zit.” Een veilig onderwerp.
Ronde kolven
Miller laat het er niet bij zitten en na enig aandringen geeft Urey toe. De promovendus mag het experiment opzetten, met als voorwaarde dat het binnen een jaar tekenen van succes moet vertonen. Zo niet, dan stopt het project. In het lab ontwerpt Miller een opstelling met twee ronde kolven en een buizenstelsel. De omstandigheden binnen het glaswerk bootsen de atmosfeer na die Urey in zijn college beschreef. De onderste kolf bevat warm water dat kan condenseren en terugstromen via de U-vormige buis. In de bovenste kolf zitten het gasmengsel (de atmosfeer) en een energiebron in de vorm van vonkende elektroden, zoals bliksem op aarde.
Al na een dag kleurt het water geel en ontstaan er roze vaste stoffen. Een week na de start van het experiment is de kolf bedekt met donkerrood, olieachtig materiaal. De oplossing is ondertussen bruin gekleurd. Miller analyseert het mengsel met papierchromatografie. Dit speciale papier scheidt de stoffen in een mengsel, die je vervolgens kunt herkennen aan de vlekken die ze achterlaten. Miller identificeert onder meer de aminozuren glycine, alanine en asparginezuur. Ook denkt hij enkele andere aminozuren te herkennen. Een aantal vlekken op het papier zijn hem onbekend.
Miller schrijft een artikel over zijn experiment. Daarin vertelt hij dat er ongetwijfeld meer aminozuren zijn gevormd, maar in kleinere hoeveelheden. Het manuscript gaat op de post naar vakblad Science en het artikel wordt in mei 1953 gepubliceerd. In 1954 ontvangt Miller zijn doctoraat in de chemie.
Iconisch met gebreken
Herfst 2023. Zeventig jaar na Millers publicatie in Science zijn we in het kantoor van Sijbren Otto, hoogleraar Systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Hij noemt het Miller-Urey-experiment iconisch en een echte eyeopener. Het ‘oersoepexperiment’ trok destijds wereldwijd de aandacht van zowel wetenschappers als publiek. Maar Millers invloed in de chemiewereld was volgens Otto niet altijd constructief. “Mensen vliegen de vraag hoe leven is ontstaan, meestal aan door op zoek te gaan naar bouwstenen die het leven nú gebruikt, maar er is geen bewijs dat het leven miljarden jaren geleden met diezelfde bouwstenen is begonnen.” Millers gasmengsel bleek bovendien niet overeen te komen met de atmosfeer van 4 miljard jaar geleden, toen er voor het eerst leven is ontstaan.
Impressie van hoe de atmosfeer van de jonge aarde er mogelijk uitzag.
NASA/Goddard Space Flight Center/Francis ReddyIn de decennia na Millers experiment hebben diverse onderzoeksgroepen het onder allerlei omstandigheden nagebootst, bijvoorbeeld met andere gassen. In de jaren zeventig herhaalde Miller zelf zijn oersoepexperiment met betere apparatuur. Zeker 33 aminozuren ontstonden er, inclusief een groot deel van de 20 aminozuren die veel voorkomen in eiwitten – en dus nodig zijn voor leven.
Vlak voordat Stanley Miller in 2007 op 77-jarige leeftijd overlijdt, werden er in zijn laboratorium in San Diego allerlei monsters met gedroogde residuen gevonden, inclusief de overblijfselen van zijn eerste oersoepexperimenten. Wetenschappers namen de monsters opnieuw onder de loep. Dankzij de sterk gemoderniseerde analyseapparatuur bleek dat er tijdens die eerste experimenten nog veel meer stoffen zijn ontstaan dan Miller destijds dacht.
Monsters van Miller uit de jaren vijftig.
Scripps Institution of Oceanography, UC San DiegoLeven bouwen
Otto zou wel eens in meer detail naar zo’n oersoepexperiment willen kijken. “Welke andere moleculen ontstaan er in zo’n soep, naast aminozuren? Wat doen die stoffen precies? En vooral: hoe kom je van zo’n wirwar aan verbindingen tot iets functioneels? Om leven te creëren heb je namelijk meer nodig dan alleen structuren, zoals eiwitten. We moeten ook de functies begrijpen en inbouwen. Denk daarbij aan replicatie, metabolisme (stofwisseling), compartimentalisatie (zichzelf van de omgeving scheiden) en evolutie. Die component ontbreekt in de analyse van het originele Miller-Urey-experiment volledig.”
In Otto’s onderzoeksgroep zijn de functies van leven juist de focus. Daar proberen wetenschappers beter te begrijpen wat leven is, onder wie promovendus Kayleigh van Esterik: “Als we de biologie helemaal uitkleden, welke fundamentele eigenschappen van leven blijven er dan over? En kunnen we de functies die je dan nog hebt, zoals replicatie en evolutie, inbouwen in een systeem dat vrijwel niets met het huidige leven te maken heeft, maar uiteindelijk toch leeft?”
Het systeem dat Van Esterik noemt, bestaat uit moleculen die Otto ruim tien jaar geleden per toeval ontdekte. Ze kunnen zich repliceren en sinds kort ook metaboliseren, compartimenten vormen en zelfs enigszins evolueren. Otto: “Individueel lukken die stappen; nu nog samenbrengen in een systeem en verder laten evolueren. En dan is het de vraag of we het resultaat daarvan levend kunnen noemen.” Het onderzoek van de Groningse groep laat zien dat functies van leven waarschijnlijk generiek zijn. “Onze moleculen kunnen het en de moleculen die we in het huidige leven vinden ook”, zegt Otto. “Dan bestaan er ongetwijfeld meer systemen, we hebben ze alleen nog niet gevonden.”
Druppeltjes
Hoe zou een Van Esterik-Otto-variant van het oersoepexperiment eruitzien? “Qua uitvoering zou er veel overeenkomen, maar de technologie is ondertussen wel enorm verbeterd, vooral de analyse”, zegt Van Esterik. “Miller bekeek alleen na afloop welke stoffen er in zijn soep zaten. Wij willen begrijpen hoe die stoffen ontstaan en wat ze vervolgens doen in het mengsel. Om dat voor elkaar krijgen, zouden we door de tijd heen monsters moeten nemen en analyseren. Dat is trouwens uitdagender dan het misschien klinkt”
Een van de processen die je op zo’n manier zou kunnen vinden, is autokatalyse. Dat betekent dat een molecuul meer van zichzelf maakt. En omdat er steeds meer kopieën ontstaan, gaat de reactie steeds sneller. Als de moleculen ondertussen informatie doorgeven aan de volgende generatie, kun je spreken van replicatie. In de biologie gebeurt dit bijvoorbeeld met DNA, maar Otto’s moleculen repliceren zich ook. “Daarnaast kunnen we op zoek gaan naar druppeltjes in de soep”, zegt Otto. “Die zijn mogelijk een beginstadium van een compartiment, zoals een cel. Welke moleculen zitten er in die druppeltjes?” Van Esterik vult aan: “En wat is de invloed van zo’n compartiment op het mengsel?”
Aandacht naar structuren
De manier waarop Otto en Van Esterik naar mengsels kijken, met focus op functies en processen, wordt systeemchemie genoemd, een relatief jong vakgebied dat in de tijd van Miller en Urey nog niet bestond. Otto: “In het onderzoek naar ontstaan van leven gaat de aandacht nog altijd voornamelijk naar structuren, mede doordat Miller daar gedurende zijn carrière zo op focuste. Een chemicus groeit op met werkwijzen waarin moleculen zo zuiver mogelijk zijn en in een perfect geroerde oplossing zitten. Maar als je kijkt naar de aarde en naar leven, dat is een onvoorspelbare chaos vol stoffen en wisselende omstandigheden. Om leven beter te begrijpen en te weten hoe het ooit is ontstaan, moeten we naar dat rommelige mengsel als geheel durven kijken.”
Het is nog maar de vraag wanneer, hoe en of er ooit een nieuw oersoepachtig experiment zal plaatsvinden. “Daar heb je een flink onderzoeksprogramma en grote bak geld voor nodig, terwijl het allesbehalve zeker is dat er iets nuttigs uitkomt”, zegt Otto. “In het huidige onderzoeksklimaat kunnen we ons dat niet permitteren.” Zeventig jaar geleden kreeg Miller na aandringen ook zijn zin; wie weet waar een beetje eigenwijsheid nog toe kan leiden.