wat betekent leven in zijn meest elementaire vorm? En hoe ontstaat het? de processen waarvan men veronderstelt dat ze aanleiding geven tot leven en evolutie worden steeds vaker in het laboratorium nagebootst. daarbij gaat men ervan uit dat leven kan ontstaan als het juiste organische materiaal wordt samengebracht en kan beschikken over een onuitputtelijke energietoevoer. piet herdewijn brengt die chemische benadering van leven in kaart.
Gerichte evolutie in de proefbuis
Het leven wordt verondersteld te zijn ontstaan uit een zelforganisatie van verschillende soorten moleculen in een systeem met voortdurende toestroom van energie en materie. Een levend systeem is autokatalytisch. Een katalysator versnelt de omzetting van een molecule in een andere, zonder dat die zelf wordt verbruikt of permanent wordt veranderd. Als een molecule de vorming van zichzelf katalyseert, spreken we van autokatalyse. Leven veronderstelt voorts de mogelijkheid om informatie op te slagen, door te geven en selecties te maken om zich aan te passen aan de omgeving. Dit gebeurt door de evolutie van een systeem in een ander en door recombinatie en mutatie om nieuwe functies te exploreren. Evolutie is conservatief en opportunistisch en zoekt dikwijls een nieuw gebruik voor triviale en vertrouwde dingen. Een fundamenteel aspect van alle gerichte evolutiestrategieën is de initiële creatie van diversiteit. Als eenzelfde molecule in verschillende vormen kan voorkomen dan spreekt men van conformaties. In een primitieve organische moleculaire massa kan conformationele diversiteit een substituut zijn voor structurele diversiteit als die onvoldoende beschikbaar is.
Experimenteel moeten de wegen worden ontworpen die leiden naar een heterotrofe verzameling van moleculaire structuren met combinatorische structurele informatie, met de mogelijkheid tot autokatalytische replicatie en tot wijziging van de informatie-inhoud via mutaties. ‘Combinatorisch’ betekent dat een groot gamma van diversiteit ter beschikking kan komen door combinaties te maken. De constitutionele diversiteit van die familie moet aanleiding geven tot (en dus impliciet coderen voor) conformationele diversiteit, hetgeen een spectrum van structuurspecifieke (en dus overerfbare) reactiviteiten en autokatalytische eigenschappen moet voortbrengen (die als selectiefactoren bij de replicatie kunnen optreden). Een dergelijk ‘chemisch fenotype’ zal aan de familie van moleculen de mogelijkheid geven om te evolueren (via interactie met omgevingsfactoren en ondersteund door compartimentering) via gradiënten van stijgende efficiëntie, diversiteit en controle van katalytische functies naar steeds meer metabole onafhankelijkheid van het systeem van de omgeving.
De interpretatie van universaliteit in de biologie is verschillend van die in de fysica omdat er in de biologie de dimensie van genetische overerving bijkomt, waardoor elk organisme zichzelf getrouw kan reproduceren. Een intelligent ontwerp is daarom niet onverenigbaar met Darwiniaanse evolutie. Het ontwerp zit vooral in de structuur van het atoom, het basiselement van de materie waaruit leven is ontstaan.
Genetici beschouwen de constitutionele opbouw van een genetisch systeem (de replicator) als startpunt voor leven. In een ‘origin of life’-scenario, gebaseerd op ‘eerst de genetica’ is Darwiniaanse selectie het enige dynamische principe dat alle levensvormen drijft in zijn evolutie. Een herorganisatie van genen is hier efficiënter dan een evolutie via mutaties. Een Darwiniaanse selectie (survival of the fittest) veronderstelt een exponentiële groei van de competitieve replicator. Om leven na te bootsen in een laboratorium wordt gezocht naar systemen die in staat zijn om exponentieel te groeien én om informatie door te geven. Met een dergelijk systeem is moleculaire evolutie in de proefbuis mogelijk als model voor Darwiniaanse evolutie. In dit geval zijn de eerst opduikende biologische structuren zelfreproducerende genetische templates, die via katalyse als exclusief fenomeen bepalen welke biochemie wordt ontwikkeld. Katalyse en zijn variante autokatalyse zijn in feite de alfa en omega van chemisch leven. Compartimentering is nodig om de snelheid van de gekatalyseerde reacties te verhogen en om een specifieke biochemie te associëren met een bepaald template, die een ‘selectie-eenheid ‘ vormen. Voor het ontstaan van een minimale zelfondersteunende structuur zijn katalyse, compartimentering en overerving noodzakelijk.
Katalyse en zijn variante autokatalyse zijn in feite de alfa en omega van chemisch leven
Het ontstaan van dergelijke universele en vrij complexe processen in de natuur werd waarschijnlijk voorafgegaan door een selectie van een reeks basismoleculen die nodig zijn om die complexiteit op te bouwen: het bestaan van enige vorm van metabolisme (voor het ontstaan van genetica) is goed aanvaardbaar en is ook logischer als uitgangsbasis om het ontstaan van de huidige levensvormen op aarde te verklaren. Combinatoriële selectiestrategieën zijn nodig om moleculen te identificeren met de gewenste eigenschappen. Een biochemie geselecteerd op basis van statistiek, kinetische en thermodynamische factoren (onafhankelijk van genetica, katalyse en compartimentering) heeft de moleculen aangeboden om het ontstaan van leven en de evolutie naar complexe levensvormen mogelijk te maken. De mogelijkheid tot translatie van die combinatoriële biochemische informatie in replicatie en in exponentiële groei (leven) en verder in de mogelijkheid tot adaptatie en mutatie (survival) is de drijvende kracht van de chemische selectieprocedure voor die basismoleculen.
De keuze van de chemie die aanleiding kan geven tot leven is zeker beperkt. Moderne inzichten hebben de oorspronkelijke atmosfeer van de aarde verkleind tot een zeer beperkte bron van gereduceerde verbindingen die in aanmerking komen voor prebiotische synthese. Alle synthesen van moleculen die in de natuur werden uitgevoerd voor het ontstaan van leven en die hebben aanleiding gegeven tot het ontstaan van leven, noemt men prebiotische synthesen. De natuur heeft echter niet ‘de’ organisatie van leven geselecteerd, maar een van de mogelijke alternatieve vormen. Ze heeft met zekerheid wel het meest robuuste systeem geselecteerd in functie van volharding en de mogelijkheid om te evolueren. Aangezien alle bestaande levensvormen op aarde afkomstig zijn van een gemeenschappelijke ‘voorvader’, bestaat de mogelijkheid niet om op aarde alternatieve modellen voor de ‘oorsprong van het leven’ met elkaar te vergelijken. De mens, zoals hij nu op aarde voorkomt, is niet het eindstadium van die evolutie.
De moleculaire bouwstenen noodzakelijk om leven te vormen zouden gedeeltelijk kunnen ontstaan in interstellaire wolken (en zo kan leven onrechtstreeks en gedeeltelijk afkomstig zijn uit de ruimte), lang voordat die wolken zullen collapsen om een nieuw zonnestelsel te vormen met zijn eigen planeten. Die wolken zijn namelijk het ruwe materiaal waaruit nieuwe sterren en planeten worden gevormd. Vele van de interstellaire moleculen die werden ontdekt, zijn van dezelfde soort als deze die ontdekt werden gedurende laboratoriumexperimenten die werden uigevoerd om prebiotische scheikunde te ontwikkelen. De prebiotische chemie is hoogstwaarschijnlijk universeel, en dus ook de levensvormen die eventueel op verschillende planeten zijn ontstaan. Zo werd bijvoorbeeld het bestaan aangetoond van een koud reservoir (bij een temperatuur van acht graden Celsius boven het absolute nulpunt, hetgeen de temperatuur is waarbij alle moleculaire bewegingen ophouden) van glycolaldehyde in een wolk van gas en stof 26 000 lichtjaren verwijderd, in de nabijheid van het centrum van ons melkwegstelsel. Twee moleculen glycolaldehyde en een molecuul formaldehyde kunnen aanleiding geven tot de vorming van ribose, het suiker dat een bestanddeel is van ribonucleïnezuren (RNA). Het is alleszins zo dat alle levensvormen die eventueel zouden bestaan in het universum hoogstwaarschijnlijk primordiaal gebaseerd zijn op het element ‘koolstof’. Geen enkel ander element is in staat om zo’n diversiteit aan bindingen te ondergaan en chemische reactiviteiten te creëren. Eenvoudige organische chemische principes (zoals de invloed van sterische en stereoelectronische effecten in de transitietoestand van kinetisch gecontroleerde reacties) liggen aan de basis van de vorming van een aanvankelijk beperkte bibliotheek van moleculen die de bouwstenen voor het leven hebben gevormd.
De RNA-wereld is een aantrekkelijke hypothese om het ontstaan van prille levensvormen te verklaren
Als een analyse wordt gemaakt van de selectie van welke organische informatiepolymeren aan de basis kunnen liggen van leven, komen we automatisch bij RNA. De RNA-wereld is een aantrekkelijke hypothese om het ontstaan van prille levensvormen te verklaren. De RNA-wereld wordt beschouwd als een prebiotisch intermediair stadium in de evolutie van leven, waarbij de meerderheid van de katalytische functies die noodzakelijk zijn voor leven werden uitgevoerd door RNA (proteïnen zouden op dat moment nog niet hebben bestaan). Die wereld zou ongeveer 4 miljard jaar geleden verdwenen zijn. Een overblijfsel ervan in de huidige biochemie zijn de ribozymen, die in staat zijn om proteïnen te synthetiseren en exclusief gebruik maken van RNA om die katalyse uit te voeren. Daarnaast zijn er nog een reeks andere functionele RNA-moleculen aanwezig in de huidige cellen die deze hypothese verder ondersteunen (zoals spliceosomen, ribozymen, riboswitchen, microRNA, siRNA). De grotere chemische en enzymatische stabiliteit van DNA ten opzichte van RNA geeft DNA een competitief voordeel als schatkamer van de genetische informatie en kan verklaren waarom DNA in een later stadium de rol van RNA heeft overgenomen voor die functie. DNA-bouwstenen worden biochemisch gesynthetiseerd uitgaande van RNA-bouwstenen. De proteïnen hebben in een later stadium de meeste katalytische functies van RNA overgenomen.
Waarom wordt RNA dan voorgesteld als levensvormend polymeer en hoe werd RNA hiervoor geselecteerd? RNA kan zowel als katalysator optreden als als informatietransfersysteem. RNA kan op een sequentiespecifieke en overerfbare wijze de vermenigvuldiging van zichzelf katalyseren, hetgeen een selectiefactor kan zijn voor een systeem om te fungeren als replicator in een bepaalde omgeving. RNA wordt gebruikt als genetisch materiaal in zeer primitieve organismen. Het kan als genotype zowel als fenotype fungeren, wat te wijten is aan zijn constitutionele en conformationele diversiteit. Het genotype codeert voor het fenotype en beide zijn hier aspecten van dezelfde moleculaire identiteit. De selectie van RNA als voornaamste genetische speler is gebaseerd op ofwel zijn ontstaan via combinatoriële vorming en functionele selectie, ofwel door een synthetische toevalligheid, ofwel als resultaat van een evoluerend biologisch systeem dat achteraf is verdwenen. De evolutie van nucleïnezuren kan dus een continu proces zijn geweest, of kan via andere scenario’s zijn verlopen. Een onafhankelijk en simultaan ontstaan van verschillende soorten nucleïnezuren voor verschillende doeleinden waarna er een is overgebleven via een selectieproces gebaseerd op functionele criteria noemt men het ‘catastrophist’-scenario en dit is zeer onwaarschijnlijk. Anderzijds is het ook weinig waarschijnlijk dat een molecule die chemisch zo enorm complex is (als RNA) kan ontstaan, louter gebaseerd op gerandomiseerde moleculaire evolutie. Dan spreekt men van een ‘frozen accident’: de omstandigheden zouden de vorming van RNA waarschijnlijker hebben gemaakt dan de vorming van alternatieve nucleïnezuren. Het verschijnen van RNA is dan gebaseerd op een synthetische in plaats van op een functionele selectie. De RNA-wereld zou kunnen zijn voorafgegaan door een pre-RNA-wereld, gebaseerd op een alternatief zeer primitief genetisch polymeer. Er werden reeds verschillende nucleïnezuuranalogen voorgesteld die zouden kunnen worden bekomen onder prebiotische omstandigheden en chemisch van een eenvoudiger samenstelling zijn dan RNA (ze kunnen fungeren als alternatieven of structurele varianten voor RNA). Een dergelijk polymeer kan op een bepaald moment zijn informatie hebben doorgegeven aan RNA, of het kan de omstandigheden gecreëerd hebben om RNA-synthese mogelijk te maken voor eigen gebruik. De kracht van een dergelijke natuurlijke selectie mag zeker niet worden onderschat. RNA zou daarna het oudere primitievere systeem overnemen en vervangen, terwijl het recombinaties en mutaties gebruikt om nieuwe functies te creëren. Dit betekent ook dat het natuurlijke RNA misschien robuuster maar zeker functioneel superieur moet zijn geweest over de mogelijke alternatieve systemen (met betrekking tot chemische functies die fundamenteel zijn voor biologische functies). Een gebrek aan voldoende katalytische activiteit kan een drijvende kracht zijn geweest voor de evolutie van een primitief genetisch systeem naar RNA. In een dergelijk model moet een constitutionele labiele replicator evolueren naar een constitutioneel robuustere variante, via een stapsgewijze constitutionele metamorfose met behoud van de specifieke informatiecapaciteit van het systeem (het ‘gradualist’-scenario). Een kinetisch labiel reactiemengsel (als beginmodel voor chemische zelforganisatie) zou gemakkelijk aanleiding kunnen geven tot het ontstaan van katalytische functies en is gevoelig om snel te worden gecontroleerd door de ontstane katalyse.
De RNA-wereld is later geëvolueerd naar een DNA-RNA-proteïnewereld. Het is echter aannemelijker dat de RNA- en proteïnewereld parallel zijn ontstaan. Dit veronderstelt het initiële bestaan van zowel korte stukjes nucleïnezuren en korte stukjes peptiden met beperkte functies, die dan geleidelijk zijn uitgegroeid tot grotere en complexere nucleïnezuren en proteïnen met een grotere diversiteit aan functies.
Het proces van informatieoverdracht, combinatoriële selectie en evolutie wordt tegenwoordig nagebootst in het laboratorium. Hierbij maakt men gebruik van precies dezelfde moleculen die het ontstaan van leven en evolutie in het verleden hebben mogelijk gemaakt. De natuur heeft er miljoenen jaren over gedaan om haar collectie van biochemische moleculen uit te breiden en te diversifiëren. Als uiteindelijk resultaat zijn er enzymen ter beschikking die met een grote accuraatheid en snelheid anabole en katabole reacties kunnen katalyseren waaronder DNA, RNA en proteïnesynthese en -afbraak. Een versnelde Darwiniaanse evolutie wordt in het laboratorium gebruikt om de functie van proteïnen en nucleïnezuren te optimaliseren en om nieuwe functies te creëren. Die technieken om de evolutie van biopolymeren te sturen bieden de onderzoeker nieuwe creatieve mogelijkheden om op een inventieve wijze proteïnen en nucleïnezuren te ontwerpen met een volledig nieuwe functie. De diversiteit aan gesofisticeerde functies die kunnen worden uitgevoerd door die gestructureerde nucleïnezuren en proteïnen is veel groter dan deze die voorkomen in de natuur. Dit opent veel le mogelijkheden om nieuwe ‘tools’ te ontwerpen die ook kunnen worden gebruikt om de biologische systemen zelf te exploreren (aptameren, ribozymen, riboswitchen). De ‘directed evolution’ is een belangrijke engineering strategie om het volle potentieel aan functionele mogelijkheden van proteïnen en nucleïnezuren te exploiteren.
Dat RNA zelf een katalytische functie kan uitoefenen werd ontdekt door S. Altman en T. Cech in 1982, waarvoor ze een Nobelprijs ontvingen. De in-vitro-evolutie-experimenten in het laboratorium werden uitgevoerd als model om de evolutie van RNA-functies in een RNA-wereld te bestuderen. Hieruit bleek dat RNA in staat is om chemische reacties te katalyseren die belangrijk zijn voor verschillende biologisch relevante metabole transformaties. Hierdoor werden RNA-moleculen geïdentificeerd die de vermenigvuldiging van RNA zelf kunnen katalyseren en de synthese van peptidebindingen, waardoor de circel van het prebiotische leven bijna rond is. Ook werden ribozymen geselecteerd die gebruik maken van natuurlijke moleculen zoals aminozuren als cofactor om hun specifieke reacties uit te voeren. Ribozyme gemedieerde synthese van niet coderende peptiden kan een belangrijke stap zijn geweest bij de overgang van een RNA-wereld naar een peptide-proteïnewereld (voordat de ribozomen zelf ontstonden). Al die laboratoriumexperimenten ondersteunen het (prebiotische) bestaan van een door RNA gekatalyseerde biosynthese voor vele metabole precursoren van de huidige biomoleculen (vooraleer de moderne cel ontstond).
In onze omgeving worden voortdurend allerlei systemen aan- en uitgeschakeld (als antwoord op signalen
Veel bacteriën maken gebruik van natuurlijke RNA-aptameren om metabolieten te detecteren en de genexpressie te controleren (riboswitchen). Naast genetische controle-elementen zouden die moleculaire switchen ook kunnen worden gebruikt als biosensoren of precissieschakelaars. In onze omgeving worden voortdurend allerlei systemen aan- en uitgeschakeld (switches) als antwoord op signalen (sensoren). Dit kunnen eenvoudige systemen zijn zoals het aanschakelen van het licht in een kamer als reactie op de vaststelling van een bepaald uur door de alarmklok. Die systemen kunnen ook zeer complex zijn, vooral als het gaat om menselijk gedrag als reactie op signalen. Die processen hebben uiteindelijk allemaal een fysische of chemische basis. Een vrij nieuwe tak van de chemische wetenschap houdt zich bezig met het ontwerpen van sensor/switch-systemen op moleculair niveau. Het is een intellectuele uitdaging om het gedrag van moleculen te leren begrijpen en te controleren, en om die wetenschappelijke kennis te gebruiken om sensoren te ontwikkelen voor biologische systemen. Ook de natuur gebruikt RNA-schakelaars en -sensoren om bijvoorbeeld de biosynthese te controleren van belangrijke moleculen die leven mogelijk maken.
Op moleculair niveau is het verschil tussen een schakelaar en een sensor zeer vaag: eenzelfde molecule kan zowel sensor als schakelaar zijn. In feite is dit ook het eenvoudigste systeem. Zo is een RNA-polymeer, dat van vorm (conformatie) verandert omwille van een interactie met een klein molecule, een chemische schakelaar die als sensor fungeert voor de kleine molecule die wordt gebonden. De meeste gekende schakelaars kennen twee toestanden: het licht wordt aan- of uitgeschakeld. Er zijn echter ook ‘dimmers’ die op een continue wijze de hoeveelheid beschikbaar licht controleren. Hetzelfde geldt voor sensoren. Die kunnen een alles-of-nietsfenomeen zijn (brandalarm) of een continu systeem (weegschaal).
In de RNA-context is het meestal zo dat schakelaars en sensoren deel uitmaken van hetzelfde complexe fenomeen. RNA heeft de structurele gesofisticeerdheid die nodig is om een dynamisch wisselwerking mogelijk te maken tussen functioneel verschillende gebieden zoals katalyse en receptoractiviteit. Het is verbazingwekkend hoe perfect de natuur dit systeem heeft weten gebruiken in wat we ‘riboswitches’ noemen. Belangrijke biologische moleculen zoals sommige vitaminen binden aan het RNA, dat codeert voor de proteïnen die betrokken zijn bij hun eigen biosynthese, en controleren zo hun translatie. Op die wijze fungeert een biomolecule als sensor om zijn eigen synthese aan- en uit te schakelen. Ook op het niveau van proteïnen maakt de natuur gebruik van methoden om de activiteit van enzymen te regelen via binding van kleine moleculen op plaatsen van het proteïne die niet betrokken zijn bij de katalyse zelf (allostere interacties). Als dit gebeurt op het niveau van RNA spreken we van allostere ribozymesensoren of aptazymen. Een RNA dat een signaal geeft (bv. fluorescentie) na binding van een klein molecule (zoals ATP) noemt men een signaalaptameer dat kan fungeren als biosensor.
In-vitrocompartimentering werd ook reeds gebruikt als methode in het laboratorium voor de evolutie van proteïne-enzymen en RNA-enzymen (ribozymen). De compartimentering maakt het mogelijk om een genotype (bv. een nucleïnezuursequentie die replicatie kan ondergaan) te verbinden aan een fenotype (een functionele eigenschap zoals bindingsactiviteit of katalytische activiteit). In plaats van compartimentering van genen in cellen (zoals gebruikt in de natuur), worden de genen hier gecompartimenteerd in waterdruppels gedispergeerd in een water-in-olie-emulsie.
De processen waarvan men veronderstelt dat ze aanleiding geven tot leven en evolutie worden steeds vaker in het laboratorium nagebootst. Die experimenten geven ons betere inzichten over het ontstaan van leven op aarde. Uiteindelijk moet leven ontstaan wanneer het juiste organische materiaal wordt samengebracht en kan beschikken over een onuitputtelijke energietoevoer. Een dergelijk proces kan theoretisch worden nagebootst in het laboratorium, maar zekerheid dat het leven ook op die manier is ontstaan zal er nooit zijn.
R Breaker Nature 432, 2004, 838-845. Natural and engineered nucleic acids as tools to explore biology
E Smith H Morowitz Proc. Natl. Acad. Sci. 101, 2004, 13168-13173. Universality in intermediary metabolism.
B-S Weigand, A. Zerressen, J C Schlatterer, M Helm, A Jaschke. Catalytically active RNA molecules: tools in organic chemistry. The aptamer handbook. 2005, part 3, 211-227
Piet Herdewijn is als medicinaal chemicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License