kort na het ontstaan van de aarde begonnen moleculen zich aaneen te rijgen. ze begonnen zich voort te planten en te muteren, lang voordat de eerste eencellige ontstond. misschien ligt de oorsprong van het leven in een oeratmosfeer vol bliksem. misschien gaven onderzeese vulkanen de energie voor het prille leven. de laatste jaren is er snel vooruitgang geboekt bij de ontrafeling van deze eerste levensprocessen. er blijken veel parallellen te zijn met de chemie in onze industrie.

Katalyse en de oorsprong van het leven

Rutger van Santen en Bram Vermeer

Een chemicus kan alleen maar met bewondering naar de natuur kijken. Neem bijvoorbeeld het menselijke DNA, de drager van onze erfelijke informatie, dat zo’n honderd miljard atomen bevat in een precies vastgelegde volgorde. Het is chemici nog nooit gelukt DNA na te maken uit simpele bouwstenen. Daarvoor hebben we nog altijd de hulp van bacteriën nodig. Hoe kan dat allemaal vanzelf zijn ontstaan? Biologen denken tegenwoordig dat alle leven afstamt uit één oervorm: vanuit een primitief, eencellig organisme is alle leven gediversifieerd. Maar hoe ontstond die oereencellige? Chemici denken dat simpele moleculen zich stap voor stap aaneengeregen hebben tot structuren die steeds meer op een eencellige gingen lijken. Veel chemie die op de prille aarde een rol speelt, blijkt verwant aan processen die we al kennen en soms toepassen in de chemische industrie. De natuur en de mens zijn bij hun zoektocht naar optimalisatie verrassend vaak uitgekomen bij dezelfde processen. De ontrafeling van de oorsprong van het leven levert misschien ook nieuwe inzichten op waarmee we onze chemische technologie kunnen verbeteren.

De natuur en de mens zijn bij hun zoektocht naar optimalisatie verrassend vaak uitgekomen bij dezelfde processen

De overgang tussen dode materie en levende organismen houdt wetenschappers al eeuwen bezig. Tot in de negentiende eeuw geloofde men in een vitale kracht, een substantie in de lucht die leven zou geven aan dode materie. Men geloofde dat bijvoorbeeld schimmels spontaan ontstaan. De Franse scheikundige en bioloog Louis Pasteur bedacht een slim experiment waarmee hij dat geloof ontkrachtte. Hij toonde daarmee aan dat dode materie geen leven kan voortbrengen. Voor leven is leven nodig. Als lucht leven geeft, dan is dat niet door een vitale kracht, maar omdat er levende organismen in zitten. Toch is de scheiding tussen leven en dood niet zo strikt als Pasteur dat voorstelde. De resultaten van de Duitse chemicus Friedrich Wöhler hadden dat al eerder laten zien. In zijn laboratorium had hij ureum gemaakt. Daarmee maakte hij koolstofverbindingen uit ons lichaam na, zogeheten ‘organische’ moleculen, die kenmerkend zijn voor het leven. Leven kun je opbouwen uit dode materie, zo suggereert zijn resultaat. Niet met vitale kracht, maar met geduldig mengen, roeren en destilleren.

Op die manier moeten organische stoffen in de prille geschiedenis van de aarde ook zijn ontstaan uit simpele, anorganische grondstoffen. Dat drong in 1953 met een schok tot de wereld door, toen de jonge Amerikaanse student Stanley Miller de resultaten van zijn experimenten bekendmaakte. Hij had in zijn laboratorium de atmosfeer van de vroege aarde nagemaakt en bootste onweer na met elektrische ontladingen. Er bleken zich spontaan aminozuren te vormen, een essentiële stof voor het leven. Miller kreeg door zijn experiment een sterrenstatus. Al gauw ontstond het idee dat de aminozuren zich in de oersoep konden aaneenrijgen tot eiwitten en andere complexe stoffen van het leven. Dat bleek echter niet zo te zijn: eiwitten ontstaan niet vanzelf in de oersoep. Dat is niet zo gek, want ook in de industrie kost het veel moeite om simpele bouwstenen aan elkaar te rijgen tot lange organische moleculen.

Om grote organische moleculen te maken zijn meestal katalysatoren nodig, hulpstoffen die sommige reacties versterken en andere onderdrukken. Een katalysator komt zelf onveranderd uit de reactie, maar bevordert één specifieke reactie. Ons lichaam zit vol met katalysatoren, die daar enzymen heten. Ze houden de complexe chemische fabriek in ons lichaam gaande. Een katalysator kun je ook beschouwen als een stukje informatie. In een katalysator ligt informatie vast over welke reacties wel en niet moeten plaatsvinden. Sommige katalysatoren kunnen die informatie ook doorgeven, zoals de RNA-moleculen in een levende cel. RNA is een gecompliceerde katalysator, die in elke levende cel voorkomt en verschillende taken vervult, bijvoorbeeld helpen bij het maken van eiwitten. Het RNA functioneert als een matrijs. Het maakt moleculen die qua samenstelling en vorm precies complementair zijn aan de eigen structuur, als het ware een afgietsel van het matrijs. Volgens hetzelfde principe kan RNA zich ook voortplanten. Een volledig afgietsel van het RNA kan de basis vormen voor een tweede afgietsel, dat identiek is aan het originele matrijs. Uit één katalysatormolecuul ontstaan er zo twee. Als een katalysator zich vanzelf voortplant, noemen we dat ‘autokatalyse’. Bij elke voortplantingsstap verdubbelt de hoeveelheid katalysator. Het proces verloopt dus explosief.

Autokatalyse is niet beperkt tot de levende natuur. Eigenlijk verloopt elke verbrandingsreactie autokatalytisch. In het proces ontstaan steeds meer vrije zuurstofradicalen, die als katalysator de verbranding gaande houden. Zolang er voldoende zuurstof is, verloopt de reactie explosief. Katalysatoren zorgen dus voor een selectieve versnelling van een reactie. Ze bevatten informatie en kunnen zich voortplanten. Die kenmerken zijn belangrijk voor het leven. Daarom vormt katalyse de sleutel tot het begrijpen van de chemische evolutie die aan het leven voorafging.

Explosief verlopende autokatalyse is meestal snel afgelopen. Op een gegeven ogenblik zijn er geen moleculen meer in de buurt die kunnen dienen als grondstof. Bij gebrek aan ‘voedsel’ stopt de explosieve reactie. Voor een duurzaam voortbestaan is een vertraging nodig, die de reactie reguleert. Dat wil zeggen dat de energie die vrijkomt in de reactie, tijdelijk even moet worden opgeslagen. In de autokatalytische cyclus is dus een energiebuffer nodig voor een duurzame balans met de omgeving.

Alle vormen van leven gebruiken hetzelfde mechanisme voor energieopslag. Een levende cel slaat energie op door de vorming van het molecuul adenosinetrifosfaat (ATP). Dit molecuul wordt gemaakt uit glucose via een complexe reeks reactiestappen in een autokatalytisch proces. Uit één ATP-molecuul worden er uiteindelijk twee gevormd, daarna vier, acht, enzovoorts. Zo wordt steeds meer energie opgeslagen. Als die energie weer nodig is, wordt ATP afgebroken. Dit is de vertragende stap in de cyclus. ATP vormt daarmee de kern van de stofwisseling. ATP is zo essentieel voor het leven, dat blokkering van het maken van het molecuul (bijvoorbeeld door vergiftiging met cyaankali) binnen enkele minuten tot de dood leidt.

ATP is zelfs universeler voor het leven dan DNA. Het griepvirus heeft bijvoorbeeld wel ATP maar geen DNA. Het virus gebruikt RNA als drager van genetische informatie. RNA lijkt in vele opzichten op DNA, maar het heeft slechts één helix. Vele biologen denken dat de vroegste vormen van leven gebaseerd zijn op RNA. RNA en ATP kunnen zich beide autokatalytisch vermeerderen. Beide zijn waarschijnlijk ontstaan in het ingewikkelde chemische spel dat de aanloop vormde voor het eerste oerorganisme. Maar in welke volgorde? Wat was er eerder, ATP of RNA? Ving het leven aan met het stabiliseren van energiestromen, of met het vastleggen van informatie? Beide mogelijkheden hebben hun eigen aanhangers in de wetenschap. Er zijn scenario’s waarin RNA eerst ontstond en de scenario’s met ATP als eerste cyclus voor het leven.

Ving het leven aan met het stabiliseren van energiestromen, of met het vastleggen van informatie?

De chemici die in de voetsporen van Miller de oersoep van de aardatmosfeer bestuderen, gaan meestal uit van het primaat van RNA. De vorming van aminozuren duidt daarop. RNA rijgt immers aminozuren aaneen tot eiwitten. Maar niemand weet nog hoe de tussenliggende stappen zouden kunnen zijn verlopen. Daarom onderzoekt een groeiend aantal wetenschappers ook een andere mogelijkheid. Misschien is het leven niet ontstaan in de atmosfeer, maar diep in de oceanen, waar de hete gassen uit vulkanische spleten zich mengen met water. Uit de stoffen die daar bijeenkomen zou een voorloper van ATP kunnen zijn ontstaan. Dat is een aantrekkelijk idee. Het ATP-molecuul is veel eenvoudiger dan RNA. Bovendien vormt de diepzee een stabiel milieu, in tegenstelling tot de primitieve aardatmosfeer. De samenstelling van de atmosfeer fluctueerde waarschijnlijk sterk, bijvoorbeeld door het voortdurende bombardement met rotsblokken uit het jonge zonnestelsel.

Op het eerste gezicht is de oceaanbodem een onherbergzame plek voor leven. Toch zijn er bacteriën ontdekt rond onderzeese kraters. Zij overleven de zwavelrijke dampen uit de vulkanische spleten, zijn bestand tegen de hoge druk van een kilometers diepe zee, en hebben geen daglicht nodig voor hun energie. Dat onder die omstandigheden leven voorkomt, was een verrassing voor de wetenschap. Die ontdekking inspireerde de Duitse chemicus Günter Wächtershäuser tot het idee dat het leven op de oceaanbodem is ontstaan. In honderden pagina’s chemische vergelijkingen beschreef hij hoe op de rand van kraters steeds complexere chemische structuren konden ontstaan. Via verschillende stappen ontstond een primitieve stofwisseling, zo denkt Wächtershäuser. Het is de meest gedetailleerde theorie van de oorsprong van het leven, waarin elke stap experimenteel falsifieerbaar is. In het scenario van Wächtershäuser komt de energie voor het leven niet van de zon, maar van een aantal chemische reacties met gassen uit de vulkaanspleten. De belangrijkste zijn zwavelwaterstof (H2S), kooldioxide (CO2) en methaan (CH4). De katalysatoren in dit scenario zijn gebaseerd op een aantal mineralen, zoals ijzer (Fe), nikkel (Ni) en zwavel (S). Je kunt dit beschouwen als een primitieve versie van de katalysatoren die in ons lichaam hun werk doen en die nikkel of ijzersulfide als werkzaam bestanddeel bevatten.

In het voetspoor van Wächtershäuser wordt onderzocht hoe in die oeroceaan verschillende organische moleculen konden ontstaan. Dit onderzoek is onder meer geïnspireerd door chemische processen die de afgelopen decennia in de industrie zijn geoptimaliseerd. IJzer en zwavel, belangrijke bestanddelen van de gesteenten bij onderzeese vulkaanspleten, doen denken aan veelgebruikte katalysatoren in de petrochemische industrie. Ze worden gebruikt om waterstof en koolmonoxide om te zetten in organische moleculen, die als brandstof kunnen dienen. Dit zogeheten Fischer-Tropschproces is meer dan een eeuw geleden ontwikkeld in Duitsland om diesel te synthetiseren voor het geval het land zou worden afgesneden van olie-import. Er is nu overigens een hernieuwde interesse in dit proces, omdat je daarmee ook aardgas en biologisch afval en zelfs het broeikasgas kooldioxide kunt omzetten in brandstoffen. Het zou heel goed kunnen dat in de prille aarde met soortgelijke processen vulkaangassen zijn omgezet in organische stoffen.

Waarschijnlijk hielp daarbij de poreuze structuur van het vulkanische gesteente op de oceaanbodem. In het bijzonder zeolieten, een soort microporeuze aluminiumsilicaten, kunnen een rol hebben gespeeld. Ze komen als mineraal in de natuur voor, maar kunnen ook in het laboratorium worden gesynthetiseerd, onder andere voor gebruik in de olie-industrie, waar ze als katalysatoren ruwe olie omzetten in transportbrandstoffen. Op soortgelijke manier kan poreus vulkanisch gesteente op de oceaanbodem hebben geholpen bij de productie van de eerste organische stoffen. Meer specifiek is het vermoeden dat op de oceaanbodem een bijzondere dynamiek op gang kwam, waarbij de vorming van nieuw gesteente en chemische reacties met elkaar wisselwerken. Grote moleculen die bij de zeebodem rondzweven, hebben invloed op de vorming van poriën in nieuwe gesteenteafzettingen. Van dat principe maken we ook gebruik als we kunstmatig zeolieten maken. We gebruiken meestal moleculen die lijken op het product dat we willen maken met het zeoliet. Die moleculen dienen als matrijs, waaromheen zich het zeoliet vormt. Omgekeerd hebben de poriën als katalysator ook invloed op moleculen die gevormd worden. Zo ontstaat een kettingreactie. De organische moleculen die gevormd worden in poreus gesteente hebben invloed op de vorming van nieuwe minerale lagen. Ze maken zo hun eigen katalysator. Die katalysator maakt vervolgens meer organische stoffen, die op hun beurt een nieuwe katalysator vormen. Zo plant poreus gesteente zich in een autokatalytisch proces voort.

Aangetoond is dit alles nog niet, maar als het klopt, ligt de oorsprong van de evolutie in gesteente dat geleidelijk tot leven kwam. Zeoliet is dan de drager van informatie, die doorgegeven wordt om steeds meer organische moleculen te maken. Zo ontstaat een systeem dat groeit en zich vermenigvuldigt. We zouden dat nog geen leven willen noemen, want een derde belangrijk levenskenmerk ontbreekt nog: het vermogen om zich aan te passen. Zonder mutatie geen evolutie. Leven moet zich kunnen aanpassen aan de omgeving, anders blijft het een doods herhalen van steeds hetzelfde chemische recept.

Het leven heeft een voorkeur ontwikkeld voor één type asymmetrische moleculen en laat de spiegelbeeldmoleculen volledig ongebruikt

Als chemici in het laboratorium op zoek gaan naar de juiste zeoliet als katalysator voor een proces, gebruiken ze tegenwoordig vaak een evolutionair principe. Geheel gerobotiseerd worden vaak meer dan honderd experimenten parallel aan elkaar uitgevoerd, allemaal met een kleine variatie in de zeoliet of de chemische receptuur. Dit soort experimenten kan maanden doorgaan, steeds met nieuwe variaties, die steeds verder inzoomen op de juiste samenstelling. Het is een geautomatiseerd trial and error, dat steeds betere zeolieten oplevert. In de labexperimenten worden de mutaties aangebracht door de computer. Maar in de natuur treden ook variaties op. Bij het autokatalytische proces waarmee zeolieten gevormd worden, treden namelijk onvermijdelijk foutjes op. Daarin ligt de kiem van mutatie. Sommige zeolietvariëteiten doen het beter dan andere in hun omgeving. Ze hebben daardoor betere kansen en drukken slechtere variëteiten weg.

Met een chemisch systeem dat groeit, zich voortplant en muteert zijn we op de rand van het leven. Maar voor verdere evolutie is een afgesloten cel nodig, die de prille levenschemie afschermt van de buitenwereld. De poriën van een zeoliet bieden al bescherming, maar voor verdere voortgang is een echte afscheiding nodig. Compartimentering is een belangrijk principe van het leven. Niet alle chemische processen verdragen elkaar namelijk. Ze vereisen bijvoorbeeld verschillende polariteiten of zuurgraad. Compartimentering is daarvoor een oplossing. Zo’n afgesloten cel is ook nodig om chemische bouwstenen geconcentreerd bijeen te houden, zodat ze in volgende stappen de macromoleculen kunnen vormen die noodzakelijk zijn voor het leven. Kortom, er zijn cellen nodig om het leven een kans te geven.

Er wordt veel onderzoek gedaan naar simpele celstructuren, maar zeker niet alleen om de oorsprong van het leven te begrijpen. Gesloten bolletjes zijn bijvoorbeeld heel geschikt om medicijnen te transporteren door ons lichaam en ze op de juiste plek af te geven. De kunstmatige cellen die farmacologen maken, lijken misschien op de eerste celstructuren in de evolutie van het leven. Omgekeerd kunnen nieuwe inzichten in de oorsprong van cellen inspireren tot nieuwe manieren om medicijnen toe te dienen.

De communistische Russische wetenschapper Aleksandr Oparin heeft in de eerste helft van de twintigste eeuw een uitgebreide theorie geformuleerd voor het ontstaan van cellen. Volgens hem waren de eerste cellen oliedruppeltjes (zogeheten coacervaten) die dreven in het water. Zo’n oliedruppeltje blijft bijeen doordat olie niet goed mengt met water, net als afzonderlijke oliedruppeltjes in mayonaise. Bij de eerder beschreven Fischer-Tropschreactie kunnen ook zulke oliedruppeltjes ontstaan. De Pools-Britse bioloog Jack Szostak heeft onlangs aangetoond dat er ook een beschermend vliesje rond zo’n druppeltje kan ontstaan, waardoor een cel ontstaat die we liposoom noemen. Het is Szostak zelfs gelukt om binnenin dat liposoom een katalytische reactie te laten optreden. Die reactie wordt gevoed door kleine moleculen die door de huid van de liposomen kunnen doordringen. Ze worden in het binnenste opgenomen in een soort stofwisseling. Kleine afvalproducten kunnen door de celhuid weer naar buiten. Op die manier groeit de cel. De cel kan zich ook delen, als het vlies langwerpig wordt en in het midden samensnoert, zodat zich twee blaasjes vormen uit één. Het is dan nog maar een kleine stap om hele kolonies van delende en groeiende cellen voor je te zien. Als daarbij kleine mutaties mogelijk zijn, kan er ook een evolutionaire ontwikkeling op gang komen. Dat lijkt al verdacht veel op leven. In het laboratorium zijn zulke systemen nog niet gemaakt. Maar het is een belangrijke uitdaging om dat te proberen.

Terwijl zo de chemische evolutie van het leven stap voor stap wordt ontrafeld, blijft nog een belangrijk raadsel over. Dat hangt samen met de asymmetrie van vele organische moleculen. Vaak komt hetzelfde molecuul in twee variëteiten voor, die elkaars spiegelbeeld zijn. Vergelijk het met een linker- en rechterhandschoen. Beide handschoenen hebben de vingers in dezelfde volgorde, ze hebben dezelfde eigenschappen en beide variëteiten komen in de winkel evenveel voor. Maar je kunt handschoenen niet makkelijk in hun spiegelbeeld omzetten. Hoe je ze ook draait, een linkerhandschoen ziet er nooit hetzelfde uit als de rechter. Zo zijn ook bijna alle moleculen die koolstof bevatten asymmetrisch. Dat geldt bijvoorbeeld voor aminozuren, eiwitten en enzymen. In het laboratorium is het niet makkelijk om een mengsel van linkshandige en rechtshandige moleculen van elkaar te scheiden. Er is vaak ook niet veel reden toe, want hun chemische gedrag is hetzelfde. Behalve in het menselijke lichaam en alle andere vormen van leven. Het leven heeft namelijk een voorkeur ontwikkeld voor één type asymmetrische moleculen, en laat de spiegelbeeldmoleculen volledig ongebruikt.

Waarom doet de natuur dat zo consequent? En hoe is dat spontaan ontstaan? Er moet een proces zijn geweest dat één type spiegelbeeldmolecuul voortbracht. Dat soort processen kennen we uit de laboratoria. Ze zijn ontwikkeld om de beide spiegelvarianten van elkaar te scheiden, bijvoorbeeld bij het maken van medicijnen. In ons lichaam is meestal maar één variant van een geneeskrachtige stof werkzaam, omdat het een voorkeur heeft voor één spiegeltype. De andere spiegelvariant is soms zelfs schadelijk. Twee veel gebruikte scheidingstechnieken gaan uit van een autokatalytisch proces, dat op gang komt als één spiegelvariant een klein beetje meer voorkomt dan het andere. De katalysator zorgt dat de minderheidsvariant wordt omgezet in het spiegelbeeld, zodat de verschillen steeds groter worden. Het kleine verschil wordt versterkt, totdat één variant overheerst.

Het is onduidelijk wat op de prille aarde het eerste zetje voor dit proces heeft gegeven. Waardoor kwam één variant een beetje meer voor dan de andere? Misschien dat kosmische straling uit één richting een lichte voorkeur voor één variant heeft veroorzaakt. Maar er zijn ook andere oorzaken mogelijk. Als we beter begrijpen hoe de natuur beide varianten spontaan heeft gescheiden, kunnen we misschien zelf ook betere scheidingstechnieken ontwikkelen. Zo komen we in onze zoektocht naar de chemische oorsprong van het leven steeds interessante verbanden tegen met industriële processen. Naarmate ons inzicht vordert en we de witte plekken in de chemische evolutie weten in te vullen, zullen we daar ook technologisch profijt van hebben.

Jack W. Szostak en David Deamer, The Origins of Life, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 2010).

Rutger van Santen is als computationeel katalytisch chemicus verbonden aan de Technische Universiteit Eindhoven.

Bram Vermeer werkt als zelfstandig wetenschapsjournalist afwisselend in Amsterdam en Berlijn.