RNA gevangen

Karel Knip 1 november 2003 NRC

KLEI-EXPERIMENT WERPT LICHT OP EERSTE LEVEN

Zonder membraan kan geen leven bestaan. Klei was cruciaal bij het ontstaan van de eerste membranen.

GEGOOCHEL IN het laboratorium met licht alchemistische trekjes heeft onverwacht steun gegeven aan een nog tamelijk jonge theorie over het ontstaan van het leven op aarde. Bijna spelenderwijs is aangetoond dat de vorming van kunstmatige, simpele membranen krachtig wordt gestimuleerd door de aanwezigheid van kleideeltjes. Deeltjes van de kleisoort montmorilloniet in het bijzonder, maar een hele reeks andere mineralen (aluminiumsilicaten, boriumsilicaten) doet het ook (Science, 24 oktober)


Het opwindende aan het nieuws is dat al eerder is aangetoond dat dezelfde soort kleideeltjes ook de vorming stimuleert van RNA-ketentjes uit de typische bouwstenen van dat RNA, de nucleotiden (James Ferris c.s. in Nature, 2 mei 1996). Zo groeit het inzicht in de wijze waarop `het leven' ongeveer 4 miljard geleden moet (of kan) zijn ontstaan.


De onderzoekers M. Hanczyc en S. Fujikawa, verbonden aan de groep van Jack Szostak (Howard Hughes Medical Institute in Boston), deden hun ontdekking in een speurtocht naar de condities waaronder spontaan membranen ontstaan. Het doel is de oermembranen te vinden waarbinnen, vier miljard jaar geleden, de eerste levensprocessen op gang kwamen.Want tamelijk algemeen wordt inmiddels aangenomen dat het leven rond de informatiedrager RNA ontstond, maar dat de voortbrengselen van dat oer-RNA pas aan selectie en evolutie à la Darwin werden onderworpen toen ze omsloten werden door een membraan. Dus waren opgesloten binnen een soort blaasje (`Synthesizing life', Nature, 18 januari 2001).

HYDROFIEL

Het uitgangsmateriaal in dit soort membraan-onderzoek bestaat altijd uit zogenoemde `amfifiele' moleculen, dat zijn grote, meestal lange moleculen die aan het ene eind affiniteit voor water bezitten (hydrofiel zijn) en aan het andere eind sterk waterafstotend, dus vetachtig zijn (hydrofoob). Vetzuren, zoals palmitinezuur of stearinezuur, maar ook het onverzadigde oliezuur en linolzuur, zijn het klassieke voorbeeld. De zuurgroep aan de ene kant van deze vetzuren is hydrofiel en de lange koolstofketens aan de andere kant zijn hydrofoob. De celmembraan van `moderne' (hedendaagse) levensvormen is in een karakteristieke dubbellaag ook opgebouwd uit amfifiele moleculen, maar van iets gecompliceerdere samenstelling.

De ervaring leert dat de amfifiele vetzuren, als zij in water worden gebracht, makkelijk aggregeren (samenklonteren) tot grote molecuul-complexen die samen een `micel' genoemd worden. In die toestand zijn de waterafstotende staarten naar elkaar gekeerd en de hydrofiele zuurkoppen naar buiten gericht.

Van belang is dat er ook tamelijk makkelijk spontaan volkomen gesloten minuscule blaasjes (vesicles of liposomen) ontstaan zodra er eenmaal membranen zijn. Daar is het de onderzoekers ook om te doen: zij zoeken naar de omstandigheden waaronder de vesicles het makkelijkst gevormd worden, welke milieu-condities en welke uitgangsmaterialen optimaal zijn. Het voorlopig uitgangspunt is dat alleen vesicles die autonoom, op eigen kracht, konden groeien en delen gediend kunnen hebben als de omhulling van het allereerste werkzame RNA.

De groep van Szostak gebruikt voornamelijk myristinezuur (een vetzuur met tamelijk korte keten: 14 koolstofatomen) als bouwsteen voor de synthetische oermembranen. Ook zonder apart toegevoegde katalysator vormen myristinezuurmoleculen bij een pH van ongeveer 8,5 (een licht alkalisch milieu) al langzaam spontaan vesicles, maar toevoeging van een minieme hoeveelheid montmorilloniet verhoogde de snelheid met een factor 100. Het recente Science-artikel beschrijft een aantal eigenschappen van de blaasjes die langs deze weg zijn gevormd. Het zijn veelbelovende eigenschappen.

KETENTJES

De belangrijkste is misschien wel dat de groei van de blaasjes bij aanwezigheid van kleideeltje zó snel gaat dat een deel van de kleideeltjes binnen in de blaasjes terecht komt. En met die kleideeltje kunnen ook allerlei andere stoffen mee naar binnen. RNA-ketentjes, die de onderzoekers vooraf door de klei hadden laten opnemen, kwamen dan ook makkelijk binnen de vesicles terecht en nog belangrijker is dat het RNA later niet naar buiten lekte. Iets dergelijks, de opname van RNA met een nuttige katalysator door membranen die zich spontaan tot blaasjes sluiten, heeft misschien de vorming van leven uit dode materie op gang gebracht.


De vesicles bleken ook te kunnen groeien onder opname van extra myristinezuur. Tot deling waren de blaasjes alleen te brengen als ze onder druk door een membraanfilter werden geperst. Een `spontane' deling is dit nauwelijks te noemen. Hoopgevend is daarentegen weer dat de blaasjes blijken te delen zonder dat daarbij heel veel van celinhoud verloren gaat.

Een begeleidend commentaar van de Schotse onderzoeker Michael Russell is hoffelijk positief, maar behoedzaam. Russell sluit niet uit dat de juiste condities voor de vorming van vesicles en stukjes RNA destijds op de oceaanbodem werden gevonden, in de buurt van een bepaald type `hydrothermal vent' (een onderzeese heetwaterbron, zoals op de illustratie) waar hij veel onderzoek aan heeft gedaan. De serieuze experimentele speurtocht naar het `protoleven' kan eindelijk beginnen, schrijft Russell.