Woensdag 05/10/2022

AchtergrondWetenschap

Dit Nederlandse lab maakt leven uit niets: ‘Deze moleculen vind je niet in een levende cel’

null Beeld ANP / BSIP
Beeld ANP / BSIP

Kun je leven maken uit niets? Het hangt er een beetje van af wat je leven noemt, maar ja, dat kan. In Groningen zijn de eerste stappen met succes gezet.

Bas den Hond

De aarde is al sinds jaar en dag het domein van leven dat op DNA is gebouwd. Op land en in zee, van de poriën in kilometers diepe rotsen tot microdruppeltjes in de stratosfeer. Het heeft heel de planeet in handen.

Heel de planeet? Ja, nog wel. Maar in een laboratorium in Groningen komen langzaam maar zeker de chemische puzzelstukjes bij elkaar die op den duur een nieuw soort leven moeten opleveren. Moleculen komen daar samen op stapeltjes, de stapeltjes splitsen en groeien weer aan; wat is dat anders dan aseksuele voortplanting? Eenvoudige bouwstenen worden, gestimuleerd door licht, in de stapeltjes opgenomen; waarom zou je dat geen energie- en voedselverbruik, kortom metabolisme (stofwisseling), noemen?

‘Leven de novo’ noemt onderzoeker Sijbren Otto dat met Latijnse zwier, nieuw leven dat uit de reageerbuis komt zonder de bagage van vier miljard jaar evolutie. “We maken alles zelf. Geen van de moleculen die wij in onze systemen hebben, zul je vinden in een levende cel.”

Zoektocht naar buitenaards leven

Geen chemisch plagiaat dus door de hoogleraar systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen, maar wel afkijken hoe het bestaande leven het doet. Al was het alleen maar om te weten wanneer het is gelukt, leven maken. Want een sluitende definitie om dit al tien jaar lopende project te gidsen, is er niet.

Otto: “Dat is heel gek. De biologie bestudeert het leven al een hele tijd. De NASA heeft bijvoorbeeld geprobeerd een definitie te formuleren met het oog op de zoektocht naar buitenaards leven, en dat werd: “een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot het ondergaan van darwinistische evolutie”. Dan denk je: ja, daar valt wel veel onder. Maar neem Lonesome George; die was de laatste schildpad van zijn soort op een van de Galapagos-eilanden, dan wordt evolueren lastig. En een muilezel is niet vruchtbaar. Toch zou je zeggen dat die beesten levend zijn – of wáren in het geval van Lonesome George. En zo is er bij elke definitie die je bedenkt wel een voorbeeld waardoor je zegt: hij is niet sluitend.

“Je hebt nog wel wat mensen uit de filosofiehoek die ermee aan het werk zijn, maar degenen die meer in de experimentele hoek zitten, parkeren dat even: laten we maar gewoon verder gaan zonder een definitie, maar wel met een checklist. Dit willen we allemaal afgevinkt hebben, en als we klaar zijn, dan vind ik dat leven.”

Zich afzonderen van zijn omgeving

Die checklist begint met replicatie, moleculen die kopieën van zichzelf voortbrengen. Daar begon het tien jaar geleden ook mee voor Otto en zijn groep, toen hij bij toeval ontdekte dat bepaalde peptiden, korte ketens van aminozuren, zich spontaan groeperen op stapeltjes die daardoor kunnen groeien, breken en doorgroeien.

En dat niet alleen, die stapeltjes beïnvloeden de chemische reacties in hun omgeving op zo’n manier, dat eventueel aanwezige eenvoudige moleculen zich met elkaar verbinden tot de complexere moleculen die in de stapeltjes gaan. Daarmee is dus meteen ook een tweede punt van de checklist binnen, metabolisme.

Hoe verder? Leven moet ook, denken onderzoekers op dit gebied, in staat zijn zich af te zonderen van zijn omgeving: compartimentering. Het DNA-leven ontwikkelde daarvoor de cel. In Groningen denken ze een soortgelijke oplossing te hebben gevonden in een speciaal soort druppeltje, een ‘coacervaat’, dat bestaat uit water dat is samengeklonterd met grote, juist waterafstotende moleculen.

Spontaan samenkomen van de juiste moleculen

“Een belangrijke stap”, noemde Armin Kiani, promovendus in de groep van Otto, dat toen hij die ontwikkeling aankondigde op de exo-biologieconferentie AbSciCon22 in Atlanta afgelopen mei. Kiani liet de deskundigen op het gebied van buitenaards leven – althans van het nadenken over en zoeken naar zulk leven – zien hoe een bepaald soort coacervaat die rol van het compartimenteren kan vervullen. Net als het replicerende systeem ontstaat ook het coacervaat spontaan door het samenkomen van de juiste, meer eenvoudige moleculen. Is het er eenmaal, dan maakt de elektrische lading van de moleculen aan de buitenkant ervan het voor zowel de peptidenstapels als hun voedingsstoffen erg aantrekkelijk het druppeltje binnen te gaan.

Waarom is dat zo belangrijk?

“Tegen parasieten”, legt Kiani uit. “Als je leven maakt, weet je dat er vroeg of laat waarschijnlijk een parasiet zal verschijnen, een molecuul dat niet zichzelf kan kopiëren, maar het replicatiesysteem van een gastheer daarvoor gebruikt. Na een paar generaties kan dat molecuul de gastheer eruit concurreren. In het bestaande leven zijn dat bijvoorbeeld virussen.

“Compartimenteren heeft ook nog andere voordelen. De concentratie van belangrijke chemische stoffen is in een compartiment hoger en alles zit dichter bij elkaar. Maar het gaat vooral om de parasieten.”

Het druppeltje groeit mee

Daarmee heeft Otto’s groep een zelf-replicerend chemisch systeem in een druppeltje van ongeveer 10 miljoenste meter groot. Daarbinnen delen en groeien de peptidenstapels door, en het druppeltje groeit mee. Delen, zoals een groeiende cel zou doen, kan het nog niet spontaan. Kiani: “We proberen daar manieren voor te ontwikkelen, door te werken aan de vloeistofeigenschappen van de coacervaten, of bepaalde chemische reacties die het materiaal veranderen.”

Lukt dat eenmaal, dan kun je het systeem nog steeds niet levend noemen. Het moet evolueren. Bij het kopiëren moeten foutjes mogelijk zijn, die de eigenschappen iets veranderen, gunstig of ongunstig, dat maakt de praktijk vervolgens uit.

Voor naakte peptidenstapels, dus nog zonder het veilige omhulsel van een coacervaat, lukt dat al, zegt Otto. “We hebben daar net een artikel over naar een wetenschappelijk tijdschrift gestuurd. Daarin vindt aanpassing aan de omgeving plaats, maar het gaat niet erg ver. Er zijn twee mutanten, en onder invloed van de omgeving komt er meer van de ene of de andere, en dat is het dan. Je evolueert niet een oog of een oor of een been, het is heel beperkt.

“Het andere uiterste is evolutie met een open einde. Het echte leven heeft al zo veel bouwplannen verkend, en er zijn er nog zo veel denkbaar, de mogelijkheden zijn letterlijk oneindig. Als je dat hebt, dan ben je er denk ik wel. Misschien ook wel als je ergens halverwege zit. Maar dat is een arbitraire grens.”

Leven is als kokend water

Die evolutie zal alleen plaatsvinden, en ook dat is een punt op de checklist, als het systeem nooit in evenwicht komt met zijn omgeving. Leven is als kokend water, er gebeurt van alles in, maar dat stopt vanzelf zonder toe- en afvoer van hitte. Otto: “Je moet nakomelingen genereren, maar dan moet er ook dood zijn, dingen moeten afsterven. En zodra je een systeem hebt dat dat doet, loopt het niet meer spontaan. Dan moet er energie bij, anders is het een soort perpetuum mobile, en dat kan niet.”

Momenteel simuleert Otto de dood simpelweg door gestaag peptidestapeltjes af te voeren. En stopt hij het energie toe door er licht op te schijnen.” Daarmee houd je het systeem continu uit evenwicht, rondgaand in de cyclus van geboorte en dood.”

Het combineren van alle punten van de checklist, en daarmee vermoedelijk het ontstaan van leven in zijn lab, is volgens Otto niet ver meer weg: “Het hangt er wel van af wanneer je tevreden bent over de darwinistische evolutie. Iets dat repliceert en een metabolisme heeft op de manier die nu al kan, in een compartiment zit, waarbij het compartiment groeit en deelt, waarschijnlijk een beetje geholpen door ons, en dan ook nog op rudimentaire manier evolueert: ik denk dat het binnen vijf jaar en wellicht zelfs al sneller kan.

“De vraag is alleen: kom je verder dan een evolutie tussen maar twee of drie mogelijkheden? Daar zouden we tegen een obstakel aan kunnen lopen waar we met ons systeem niet overheen kunnen. Evolutie waarbij het systeem ook echt iets nieuws gaat uitvinden, daar durf ik geen voorspelling over te doen.”

Een wezen met een ethische status

En áls het lukt, hebben we dan opeens te maken met een wezen dat een ethische status heeft, bescherming verdient, misschien wel recht heeft op een reservaat omdat het niet mag uitsterven?

Otto: “De reden dat we het leven om ons heen graag willen beschermen, is vooral dat als het verdwijnt, het niet weer komt. De kans is groot dat als we erin zouden slagen om leven te maken, we de methode waarmee dat is gebeurd nog een keer kunnen draaien, zodat je het weer opnieuw kunt maken. Ik denk dat je het reservaat dan niet nodig hebt, omdat je de handleiding hebt.

“Maar dat is op voorwaarde dat het deterministisch is: dat je weet dat als je hetzelfde doet, er weer hetzelfde uitkomt. Daar maak ik me dan wel weer zorgen over. Er zijn in de evolutie een hoop processen waarbij het toevalligerwijs een kant op gaat, maar dat net zo goed de andere kant had kunnen zijn als de stoeptegels anders hadden gelegen. Als dat ook een rol speelt, dan zou je wel een soort reservaat moeten oprichten, of een archief waarin je die dingen misschien in ingevroren toestand zou willen bewaren. Omdat je niet weet of je ze weer kunt maken.”

Minimaal mycoplasma

Er zijn maar een paar onderzoeksgroepen in de wereld die net als die in Groningen proberen leven te scheppen dat helemaal losstaat van de DNA-wereld. Het vakgebied heeft zelfs nog geen naam, al probeert de Gronings hoogleraar Sijbren Otto een Latijnse term ingang te laten vinden: ‘de novo leven’, oftewel leven volgens gloednieuw ontwerp.

Liever had hij het de logische naam ‘synthetische biologie’ gegeven, maar die was al bezet, door een vakgebied dat veel omvangrijker is dan het zijne en er los van staat. Synthetische biologie houdt zich bezig met het maken van nieuwe organismen door wel gebruik te maken van de mogelijkheden die worden geboden door DNA, of zijn chemische neef RNA.

Een van de plaatsen waar dat gebeurt, is het J. Craig Venter Institute in San Diego, Californië. Venter was in 2000 een van de wetenschappers die als eersten de volledige genetische code van een mens in kaart brachten. In het door hem opgerichte instituut lukte het in 2010 om uit vier basischemicaliën (de bestanddelen van aminozuren) het complete genoom van een bacterie, Mycoplasma mycoides, te construeren, het in een cel te plaatsen en de resulterende dode bacterie te ‘herstarten’.

Daarna werd gekeken welke genen, instructies in de erfelijke code om een bepaald eiwit of RNA-molecuul aan te maken, konden worden weggeknipt zonder de levensvatbaarheid van de bacterie aan te tasten. De resulterende ‘minimale cel’, gepresenteerd in 2016, telt de helft minder genen, nog maar 473. Die zijn interessant, omdat ze vermoedelijk allemaal onmisbaar zijn voor het leven, hoe je dat ook definieert.

“Degenen die synthetische biologie bedrijven, pakken iets wat de biologie al heeft gemaakt en gaan daaraan sleutelen”, zegt Otto. “Maar wat je pakt, is een product van een heel lange periode van evolutie. Dat is een beetje valsspelen, je gebruikt iets wat het leven al heeft gemaakt en dat doen wij niet, daar trekken wij de grens.”

In filosofische beschouwingen worden projecten als de ‘minimale cel’ en het ‘de novo leven’ wel met elkaar in verband gebracht: het een werkt van een compleet naar een minimaal systeem, het ander probeert uit niets een minimaal systeem te maken. “De vraag is of je dan bij hetzelfde uitkomt”, zegt Otto. “Dat zou me hogelijk verbazen. Maar je weet het niet. Want geen van beide methoden is nog ver genoeg ontwikkeld om er iets concreets over te zeggen.”

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234