Een nieuwe aanwijzing voor hoe het leven is ontstaan

Een al lang bestaand mysterie over vroege cellen heeft een oplossing – en het is nogal magisch.

Toen Caitlin Cornell langs haar microscoop keek, zag ze grote heldere vlekken tegen een zwarte achtergrond. Ze leken op miniatuurzonnen, brandend tegen de achtergrond van de ruimte. En toen Cornell de vlekken liet zien aan haar supervisor, Sarah Keller , een chemicus aan de Universiteit van Washington, “we werden echt enthousiast”, herinnert ze zich. “Het was een beetje een ‘Aha!’ moment. ‘Die plekken, besefte ze , zouden kunnen helpen bij het oplossen van een al lang bestaande puzzel over de oorsprong van het leven zelf.

De cellen waaruit alle levende wezens bestaan, ondanks hun eindeloze variaties, bevatten drie fundamentele elementen. Er zijn moleculen die coderen voor informatie en kunnen worden gekopieerd – DNA en het eenvoudiger familielid, RNA . Er zijn eiwitten – werkpaardmoleculen die belangrijke taken uitvoeren. En ze allemaal inkapselen, er is een membraan gemaakt van vetzuren . Ga ver genoeg terug in de tijd, voordat dieren en planten en zelfs bacteriën bestonden, en je zou merken dat de voorloper van al het leven – wat wetenschappers een ” protocel ” noemen – waarschijnlijk dezelfde drie-eenheid van delen had: RNA en eiwitten, in een membraan. Zoals de natuurkundige Freeman Dyson ooit zei: “Het leven begon met zakjes vuilnis.”

De zakken – de membranen – waren cruciaal. Zonder iets om de andere moleculen te corroderen, zouden ze allemaal gewoon wegzweven, de wereld verspreiden en niets bereiken. Door ze te concentreren, transformeerden membranen een levenloze wereld van ongeordende chemicaliën in één vol met redwoods en roodstaarten, olifanten en E. coli , mensen en havikvissen . In de kern draait het leven om het creëren van compartimenten. En dat is veel eenvoudiger en veel moeilijker dan het lijkt.

Ten eerste het makkelijke stukje. Vroege celmembranen werden opgebouwd uit vetzuren – moleculen die op lolly’s lijken, met ronde koppen en lange staarten. De hoofden genieten van het gezelschap van water; de staarten verachten het. Dus wanneer ze in water worden geplaatst, assembleren vetzuren zichzelf in holle bollen, met de waterhate-tails naar binnen wijzend en de waterminnende koppen aan de oppervlakte. Deze bollen kunnen RNA en eiwitten omsluiten en protocellen maken. Vetzuren kunnen dan automatisch de compartimenten creëren die nodig waren om leven te laten ontstaan. Het lijkt bijna te mooi om waar te zijn.

En dat is het om twee redenen. Het leven ontstond eerst in zoute oceanen, en zout destabiliseert de vetzuurbollen catastrofaal. Ook veroorzaken bepaalde ionen, waaronder magnesium en ijzer, dat de bollen instorten, wat problematisch is omdat RNA – een ander belangrijk onderdeel van vroege protocellen – deze ionen nodig heeft. Hoe zou het leven dan mogelijk zijn ontstaan, wanneer de compartimenten die het nodig heeft worden vernietigd door de omstandigheden waarin het voor het eerst opkwam, en door de ingrediënten die het nodig heeft om te gedijen?

Caitlin Cornell en Sarah Keller hebben een antwoord op deze paradox . Ze hebben aangetoond dat de bollen zowel zout- als magnesiumionen kunnen weerstaan, zolang ze in aanwezigheid van aminozuren zijn – de eenvoudige moleculen die de bouwstenen van eiwitten zijn. De kleine zonnen die Cornell onder haar microscoop zag, waren mengsels van aminozuren en vetzuren, die hun bolvorm hadden in aanwezigheid van zout.

Ik vind dat volkomen magisch. Het betekent dat twee van de essentiële componenten van het leven, het membraan van een protocel en zijn eiwitten, de voorwaarden vormden voor elkaar om te bestaan. Door zich te houden aan de vetzuren, gaven de aminozuren ze stabiliteit. Op hun beurt concentreerden de vetzuren de aminozuren, wat hen misschien aanmoedigde om samen te smelten tot eiwitten. Vanaf het allereerste begin zaten deze partners opgesloten in een tweestapsdans die 3,5 miljard jaar duurde en hielpen bij het creëren van alle rijkdom aan biologie vanuit een startpunt van louter chemie. “Daar ben ik het helemaal mee eens,” zegt Keller. “Het is volledig magisch. Je hebt die twee delen samen nodig. ‘

“Het is fantastisch werk”, zegt Neal Devaraj van UC San Diego. “Hun suggestie dat membranen de synthese van [eiwitten] kunnen bevorderen, is echt fascinerend.”

Deze ontdekking gebeurde bijna per ongeluk. Oorspronkelijk begon Keller een ander probleem aan te pakken, dat haar collega Roy Black haar stelde. Hij merkte op dat niemand goede ideeën had over hoe precies de drie-eenheid van protocellen – RNA, eiwitten en membranen – eigenlijk in de eerste plaats werd geassembleerd. Het leek erop dat mensen gewoon met hun handen zwaaiden en deze cruciale convergentie toeschrijven aan een willekeurige gebeurtenis. Zwart suggereerde in plaats daarvan dat de membranen zelf de sleutel waren. Als vetzuren kunnen vasthouden aan de bestanddelen van zowel eiwitten als RNA, hadden ze deze bouwstenen bij elkaar kunnen verzamelen terwijl ze zelf geassembleerd waren.

Cornell testte dat idee door een vetzuur te incuberen met drie verschillende aminozuren, die allemaal op de oorspronkelijke aarde hebben bestaan. Natuurlijk, zoals Black had vermoed, hadden de moleculen interactie met elkaar. Maar toen ze onder de microscoop keek, besefte Cornell dat er iets speciaals gebeurde.

Op zichzelf zijn de vetzuren voorspelbaar zelf-geassembleerd in holle bollen. “Ze zagen eruit als kwallen: heldere binnenkant met ondoorzichtige randen, rondzweven”, zegt ze. Als ze zout- of magnesiumionen toevoegden, viel deze kwal uiteen. Maar als ze dat deed nadat ze aminozuren had toegevoegd, hadden ze hun vorm behouden. Bovendien veranderden ze in vormen die Cornell vergelijkt met gloeiende uien. Hun eens holle centra waren gevuld met een andere laag vetzuren – bollen in bollen. Niet toevallig, zo zijn onze cellen eigenlijk, met membranen die uit twee vetlagen bestaan ​​in plaats van één.

Dus de aanwezigheid van aminozuren beschermt niet alleen de vetzuurbollen, maar verandert ze ook in iets dat duidelijk biologischer is. Waarom? “We hebben geen idee, en we zouden het niet voorspeld hebben,” zegt Keller lachend. “We zitten op een mooie plek die het veld opent voor toekomstige theorie.”

“Dit is geweldig werk”, zegt Kate Adamala van de Universiteit van Minnesota. Andere studies, merkt ze op, hebben interacties gevonden tussen twee aminozuren, vetzuurmembranen en RNA, maar de studie van Cornell en Keller verbindt ze alle drie effectief. Aminozuren laten membranen bestaan ​​in aanwezigheid van magnesium, dat RNA nodig heeft om te kunnen functioneren.

De studie van de oorsprong van het leven is altijd omstreden. Wetenschappers zijn het vaak oneens over dingen die nu gebeuren, laat staan ​​gebeurtenissen die meer dan 3,5 miljard jaar geleden plaatsvonden. Sommige onderzoekers denken bijvoorbeeld dat het leven begon in ondiepe vulkanische poelen , terwijl anderen beweren dat het moet zijn ontstaan ​​in onderwateropeningen . De ideeën van Keller werken genadig in beide omgevingen. “Ik ben agnostisch,” zegt ze. “Ik ben opgewonden dat [onze studie] het idee van protocellen plausibeler maakt onafhankelijk van de locatie.”

Ze onderzoekt nu wat er gebeurt nadat de protocellen zich verzamelen. Natuurlijk is er een compartiment dat de bouwstenen bevat voor het maken van eiwitten en RNA. “Maar hoe binden die individuele bouwstenen om de grotere moleculen te vormen?” Zegt ze. “Het is een heel moeilijke vraag.”