Wetenschappers hebben een nieuwe manier gevonden om eenvoudige organische blaasjes te maken. Dit kan ons mogelijk meer vertellen over hoe biologische cellen spontaan ontstonden op de jonge aarde. Ook vormen ze een eerste stap richting het maken van synthetisch leven.
Protocellen, de oeroude voorouders van het hedendaagse leven, waren niet meer dan een simpel bolletje, omgeven door een membraan en gevuld met water en levensmoleculen. Maar waar deze blaasjes vandaan komen, is nog altijd een mysterie.
Het is het klassieke kip-en-eiprobleem, zegt biochemicus Neal Devaraj van de Universiteit van Californië te San Diego in de VS. De membranen van moderne cellen ontstaan in water spontaan uit zogenoemde lipiden (vetten). Maar in alle huidige levensvormen werken de eiwitten die deze lipiden maken alleen als ze zijn ingebed in een membraan. Kortom: je hebt een membraan nodig om een membraan te maken.
‘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.
Devaraj’s onderzoeksgroep heeft daar nu iets op gevonden. ‘Simpel gezegd voegen we wat moleculen en DNA toe aan een oplossing,’ zegt Devaraj. ‘Dat resulteert in blaasjes met eiwitten aan de buitenkant.’
Moleculair soepje
Hiertoe gebruikten de onderzoekers een twintig jaar oude techniek waarbij naakt DNA, verwijderd uit een cel, nog steeds eiwitten kan maken. Ze brachten het naakte DNA in een soepje waar ook de basisingrediënten in zaten om genetische code om te zetten in een eiwit.
Het soepje bestond uit ongeveer 35 eiwitten, een snufje magnesium, een scheutje aminozuren en andere kleine moleculen, en een handvol ribosomen – de moleculaire machinerie in cellen waarin eiwitten worden gemaakt.
Devaraj’s groep paste dit systeem dusdanig aan dat het een eiwit maakte dat nodig is om kunstmatige lipiden te maken en een tweede dat kan binden aan het oppervlakte van de blaasjes. Toen de onderzoekers voorlopers van lipiden toevoegden aan de oplossing, ontstonden er spontaan blaasjes in het soepje. Het tweede eiwit bond aan de buitenkant van het membraan. Dit is de eerste keer dat iemand met dit DNA-translatiesysteem dat geen gebruikmaakt van cellen een synthetisch blaasje heeft weten te maken.
‘Het is heel spannend om deze blaasjes from scratch te maken’, zegt biochemicus Michael Booth van de Britse Universiteit van Oxford, niet betrokken bij het onderzoek. ‘Het brengt de complexiteit van leven nog verder terug naar simpelere startmaterialen.’
Leven van het verre verleden
Dat gezegd hebbende is het systeem van Devaraj en collega’s nog steeds veel te complex – en een paar miljard jaar te ver ontwikkeld. Ze imiteren daarom waarschijnlijk niet het ontstaan van de allereerste protocellen op de vroege aarde, zegt biofysicus David Dreamer van de Amerikaanse Univeriteit van Californië te Santa Cruz.
‘De eerste membranen waren simpelweg mengsels van vetzuren en vetalcoholen’, zegt Dreamer. ‘Er komen geen fosfolipiden aan te pas zoals in de huidige membranen. Dat is een volgende stap op de evolutionaire ladder.’
Devaraj is het daarmee eens. Hij zegt dat toekomstige versies van de blaasjes die hij en zijn collega’s ontwikkelden vooral nuttig zijn om het leven van het verre verleden en van vandaag te bestuderen. Ze zijn minder geschikt voor het begrijpen van de oorsprong van cellulair leven. ‘Hoe kan het dat deze moleculen zich op een dusdanige manier kunnen organiseren dat dit leidt tot zelfreproductie, zelfherstel en evolutie?’ vraagt hij zich af.
Levensechte namaakcel
Booth zegt dat deze studies mogelijk aanknopingspunten kunnen geven voor het maken van synthetisch leven. ‘Als je blaasjes kunt maken, kun je nadenken over het maken van meer blaasjes. Zo kun je synthetisch leven levensechter maken’, zegt hij.
Devaraj zegt dat dat ook een van de doelen van zijn onderzoek is. ‘Uiteindelijk is dat waar we naartoe willen. Kun je met een bepaalde set onderdelen een levensechte kunstmatige cel maken door die zichzelf spontaan in elkaar te laten zetten?
Hoewel dit dus weinig nieuw licht werpt op het mysterie hoe, wanneer en waar leven ontstond, draagt het mogelijk wel bij aan ons begrip van wat leven nodig heeft om te ontstaan en complexer te worden. ‘Dat is wat het leven heeft gedaan, toch? Over een tijdspanne van miljarden jaren’, zegt Devaraj. ‘Het is steeds complexer geworden.’
