Hoe kwam het metabolisme van de eerste levende organismen op gang? Duits onderzoek laat zien dat het mineraal nikkelsulfide er wellicht een doorslaggevende rol bij speelde. Het is een van de recente studies die aantonen dat metalen in staat zijn om levensbelangrijke processen aan te zwengelen.
‘We zijn in staat om belangrijke biomoleculen op te bouwen uit eenvoudige stoffen’, zegt scheikundige Claudia Huber van de Technische Universiteit van München.
Huber en haar collega’s onderzoeken al meer dan twintig jaar lang hoe het leven op aarde is begonnen. Ze richten zich daarbij op de oorsprong van stofwisseling: de chemische reacties die organismen gebruiken om energie op te wekken.
Mieren zijn magnifieke navigators
Mieren zijn in staat tot verbazingwekkende navigatieprestaties. Misschien kan waardering hiervoor helpen om deze insectensoorten te behouden.
Koolstof in de hoofdrol
Hedendaagse organismen, zoals planten, zetten kooldioxide om in suikers. Ze zijn dus in staat om anorganisch koolstof om te zetten in organische verbindingen. Om dat voor elkaar te krijgen, voeren ze een ingewikkelde cyclus van chemische reacties uit. De reacties worden aangestuurd door moleculen die enzymen heten.
Gezien enzymen behoorlijk complexe dingen zijn, kunnen deze niet hebben bestaan toen het vroege leven begon. Daarom zocht het team van Huber naar andere, eenvoudigere moleculen die stofwisselingsreacties kunnen laten plaatsvinden. Het team baseerde hun werk op een idee van Günter Wächtershäuser, een octrooiadvocaat uit München, die in 1988 opperde dat ijzersulfide de eerste stofwisseling op gang bracht.
Vulkaanbadje
De onderzoekers begonnen met twee chemische stoffen op basis van koolstof: koolmonoxide en ethyn. Beide stoffen waren waarschijnlijk aanwezig op de jonge aarde. De chemici mengden deze twee met nikkelsulfide, een veelvoorkomend mineraal, en verwarmden de boel vervolgens tot 105 graden Celsius. Dit soort temperaturen zijn te verwachten in bronwater dat wordt verhit door vulkanisch gesteente.
Het resultaat was een veelheid van koolstofhoudende stoffen, waaronder acetaat, pyrodruivenzuur en barnsteenzuur. Deze stoffen komen voor in de stofwisselingsprocessen van alle micro-organismen, zegt Huber.
En dat is niet alles. De ontstane stoffen ondergaan vervolgens nog meer reacties, die lijken op de reacties die plaatsvinden in levende cellen, zegt Huber. Ze denkt dat de koolstofmetabolismereacties dat we vandaag de dag zien in planten en bacteriën uit deze simpelere varianten kunnen zijn geëvolueerd.
In 2016 liet het team van Huber zien dat hetzelfde mengsel van chemicaliën ook lipiden kan vormen, vetten die de buitenste membranen van de eerste cellen kunnen hebben gevormd.
Welke startstoffen?
‘Het wordt goed onderbouwd’, zegt organisch-chemicus Joseph Moran van de Universiteit van Straatsburg over het onderzoek. Hij vindt het een goede zaak dat de onderzoekers de belangrijke rol van koolstof onderstrepen.
Moran is er echter niet van overtuigd dat ethyn en koolmonoxide de meest waarschijnlijke startpunten van metabolisme zijn. ‘Iedereen is het erover eens dat kooldioxide aanwezig was op de vroege aarde, en gezien we weten dat het hedendaagse leven zo aan zijn koolstof komt, is dat de ideale grondstof’, zegt hij.
Het probleem is dat kooldioxide niet snel met andere stoffen reageert. Mineralen zoals nikkelsulfide zijn niet in staat om ervoor te zorgen dat kooldioxide transformeert tot andere stoffen. Het team van Huber heeft dit probleem omzeild door kooldioxide te vervangen door ethyn en koolmonoxide, twee stoffen die wel gemakkelijk een reactie aangaan.
Moran onderzoekt daarentegen wat er gebeurt als je wel start met kooldioxide, en daar iets anders dan nikkelsulfide aan toevoegt; iets dat wel de juiste kick kan geven die leidt tot chemische reacties. ‘In mijn onderzoek gebruiken we ijzer’, zegt hij. ‘Tachtig procent van de aardkern bestaat uit ijzer en het komt voor in meteorieten.’
In recente publicaties laat Morans team zien dat dat ijzer in staat is om kooldioxide om te zetten in de chemische verbindingen die in veel stofwisselingsprocessen voorkomen. Die verbindingen starten vervolgens eenvoudige stofwisselingsprocessen op, zonder dat er enzymen bij nodig zijn.
Enzymloos
Hubers reactie is dat Moran en zijn collega’s waardevol onderzoek doen naar de vroegste stofwisseling – vooral omdat ook zij zich richten op koolstof.
‘Ik ben hoopvol gestemd dat we binnenkort alle stofwisselingsmogelijkheden kennen waarbij geen enzymen betrokken zijn’, zegt Moran.