Peptiden, een belangrijk ingrediënt voor het ontstaan van leven, zijn mogelijk niet ontstaan ín water, maar op het oppervlak van waterdruppeltjes.
We weten verrassend weinig over hoe de eerste levende cel vier miljard jaar geleden is ontstaan. Wel lijkt het waarschijnlijk dat er een paar ingrediënten voor nodig waren. Allereerst een nucleïnezuur (zoals RNA) om genetische informatie op te slaan en chemische reacties een handje te helpen. Verder waren er lipiden nodig om een soort celwand te vormen, en peptiden, de bouwstenen van eiwitten die onmisbaar zijn voor allerlei processen in de cel.
Een van de grote vragen is nog hoe de eerste peptiden gevormd zijn. Daar denkt een groep onderzoekers van de Amerikaanse Purdue-universiteit nu een mogelijk antwoord op te hebben.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Het ingrediënt peptiden
Peptiden zijn ketens van hooguit enkele tientallen aminozuren die met elkaar verbonden zijn. Aminozuren zijn eenvoudige moleculen die waarschijnlijk in de ruimte kunnen ontstaan en die mogelijk via meteorieten op aarde terecht kwamen. Om een peptide te vormen moeten aminozuren aan elkaar koppelen. Bij het ontstaan van een verbinding tussen twee aminozuren komt een watermolecuul vrij.
Dat lijkt een vrij eenvoudig proces. Maar er is onder wetenschappers ook brede overeenstemming dat de chemische reacties die tot leven hebben geleid, plaatsvonden in de oceanen van de jonge aarde. Dat betekent dat die aminozuren aan elkaar moesten koppelen in het water. En dat strookt niet met de chemische reactie die daarvoor nodig is.
‘Het “mysterie” of de paradox is dat het vrijkomen van een watermolecuul bij een reactie in water thermodynamisch verboden is’, mailt scheikundige Graham Cooks van de Purdue-universiteit. ‘Dit afsplitsen van water in de reactie wordt belemmerd door de grote concentratie water in de omgeving.’
Dat deze reacties tegenwoordig plaatsvinden in de natte omgeving van levende lichamen, is te danken aan eiwitten genaamd enzymen. Maar die enzymen bestonden nog niet op de jonge aarde.
Waterdruppeltjes
Cooks en zijn collega’s denken dat dit mysterie opgelost kan worden. Daarvoor kijken ze naar waterdruppeltjes die ontstaan wanneer zeewater opspat, golven op de kust slaan of zoet water van een helling naar beneden kabbelt. ‘Water is niet overal nat’, zegt Cooks. Het oppervlak van de druppels kun je zien als een droog gebied.
Daar, op het druppeloppervlak – waar water en lucht direct met elkaar in contact staan – blijken inderdaad chemische reacties plaats te kunnen vinden waardoor aminozuren peptiden vormen. Om dat aan te tonen hebben de onderzoekers tien jaar lang nauwkeurig de chemische reacties in kaart gebracht die plaatsvinden in waterdruppeltjes. Dat deden ze door met een extreem gevoelige massaspectrometer te meten welke moleculen in de druppel rondzweven op verschillende momenten.
In die metingen zagen ze dat die reacties honderd tot een miljoen keer sneller verliepen op het oppervlak van waterdruppeltjes dan in de bulk van het water. Dat is snel genoeg om peptiden te kunnen vormen, zonder de hulp van enzymen.
Simpelste peptiden
Scheikundige Matthew Powner van University College London is nog niet overtuigd: ‘In het onderzoek lijken zich vooral dipeptiden te vormen. Dat zijn zeer eenvoudige peptiden die uit twee aminozuren bestaan.’ Vandaar is het nog een stap naar de peptiden die de bouwstenen van eiwitten vormen.
Powner onderzoekt zelf ook hoe chemisch-biologische processen, zoals de vorming van peptiden, in water kunnen verlopen. Daarbij kijkt hij niet alleen naar de oceanen waarin het eerste leven ontstaan zou zijn, maar ook naar de waterige omgeving die je nu vindt in levende cellen. Powner liet in 2019 met collega’s zien dat peptiden wel in water kunnen ontstaan. Maar in zijn onderzoek ontstonden ze niet uit aminozuren, maar uit de voorlopers van aminozuren: aminonitrillen. Daarbij ontstonden zogeheten α-peptiden, die langer zijn dan de korte dipeptiden. ‘Deze α-peptiden zijn de bouwstenen voor eiwitten’, zegt Powner.
In de wetenschap heerst de gedachte dat de simpelste verklaring meestal de juiste is. Cooks bepleit dat hun scenario – waarin peptiden zich vormden uit aminozuren in klein waterdruppeltjes – een eenvoudigere oplossing is voor de peptide-paradox.
