Naar de content

De oeroceaan op zakformaat

In het lab reageren oceanen en stromen vanuit de aardkorst met elkaar

MARUM via Wikimedia Commons CC BY 4.0

Is het eerste leven ontstaan op de bodem van de diepzee? Niemand die het zeker weet, maar Eloi Camprubi Casas probeert die omstandigheden zo goed mogelijk na te bootsen. NEMO Kennislink nam een kijkje in zijn lab.

Over de oorsprong van leven kun je eindeloos speculeren en discussiëren. Eloi Camprubi Casas besteedt zijn tijd liever aan experimenten om iets wijzer te worden over wat er grofweg vier miljard jaar geleden op aarde is gebeurd. Hij is postdoc aan de Universiteit Utrecht en Fellow bij het Origins Center. Om te begrijpen hoe de eerste chemische stapjes richting leven werden gezet, heeft hij een oorsprong-van-leven-simulator ontworpen en gebouwd. Dat klinkt intrigerend.

Eloi Camprubi Casas laat het centrale element zien van zijn oorsprong-van-leven simulator: een microfluidics chip met daarin piepkleine kanaaltjes waarin hij chemische reacties nabootst zoals die ooit op de oceaanbodem (waarschijnlijk) plaatsvonden.

Esther Thole voor NEMO Kennislink

Vol verwachting stap ik naar binnen, maar wat ik dan zie is een heel gewoon chemisch lab. Lange werkbanken vol glaswerk en tegen de muur een rij zuurkasten. Niks bijzonders. Terwijl ik rondkijk op zoek naar de simulator, tovert Camprubi Casas een klein glazen plaatje tevoorschijn. “Kijk, hier draait het om”, zegt hij triomfantelijk. Mijn verbaasde reactie zorgt voor een grijns die ik zelfs door zijn mondkapje heen kan zien.

Het plaatje is een zogeheten microfluidics-chip; een glazen rechthoekje waarin minuscule kanaaltjes zijn geëtst, zodat er vloeistoffen doorheen kunnen stromen. De kanaaltjes hebben de vorm van de letter Y, waarbij in iedere ‘arm’ een vloeistof of oplossing wordt gespoten die in de ‘stam’ bij elkaar komen, zodat daar chemische reacties plaatsvinden. Onderaan de Y komt het mengsel er weer uit en wordt het opgevangen voor analyse.

Hoge druk

Waarom moet het op zo’n piepkleine schaal? We hebben het hier over volumes van enkele microliters (een duizendste milliliter). Daarvoor heeft Camprubi Casas twee redenen. De eerste heeft te maken met de hoge druk die nodig is, tot wel 75 bar. Ter vergelijking, de ‘normale’ druk waar wij onder leven is ongeveer 1 bar. “We proberen de omstandigheden na te bootsen zoals je die bij een bron in de diepzee aantreft en daar heerst een enorm hoge druk”, legt hij uit. “Om in het lab water of vloeistoffen zo samen te persen, dat gaat niet bij gangbare volumes, zeker niet op een veilige manier. Onze microfluidics-chip plaatsen we in een speciale metalen container en die komt in een metalen cilinder die weer in een afgeschermde opstelling zit en dan kunnen we onder heel hoge druk de vloeistoffen erin spuiten zonder dat de boel uit elkaar klapt.”

De complete, geopende, simulatieopstelling, vol metalen cilinders die de benodigde hoge druk aankunnen.

 E. Camprubi Casas

De andere reden heeft te maken met de controle op de experimenten. “Tijdens mijn promotieonderzoek in Londen werkte ik met relatief grote opstellingen van ongeveer twee liter om de vorming van zogeheten black smokers, de schoorstenen op de oceaanbodem, na te bootsen. Er vormen zich dan spontaan wel allemaal interessante structuren, maar ze zijn elke keer anders.” In die grotere volumes spelen factoren als stroming, warmteverdeling en concentratieverschillen allemaal mee en die zijn moeilijk om exact gelijk te houden. “Herhaling van hetzelfde experiment leverde steeds weer net andere resultaten. Daar kun je dus niks mee.”

Met de overstap naar microfluidics hoopt hij dat probleem te omzeilen. “Nu kunnen we heel goed alle omstandigheden onder controle houden. Natuurlijk is het technisch ingewikkeld om het zo te doen, maar als het lukt hebben we straks heel solide, betrouwbare resultaten die je steeds weer krijgt als je het experiment herhaalt. Dat is belangrijk om verder te komen.”

Oceaan vol ijzer

In de microfluidics chip brengt Camprubi Casas twee oplossingen bij elkaar. Via de ene ingang stroomt nagebootst oceaanwater naar binnen. “Het water van de oeroceaan was licht zuur door het opgeloste koolstofdioxide en bevatte veel ijzer. Wij gebruiken daarvoor een mengsel van onder meer koolstofdioxide, zoutzuur, ijzerdichloride en fosfaat.” De andere ingang levert de basische oplossing die vanuit de aardkorst naar boven komt, met daarin onder meer natriumsulfaat en opgelost waterstofgas. Dat laatste is explosief, nog een reden om de experimenten op heel kleine schaal en in een speciaal daarvoor uitgeruste opstelling te doen.

De ‘kandelaar’, een black smoker in het Logatchev veld op de mid-Atlantische rug

 MARUM via Wikimedia Commons CC BY 4.0

Op deze manier ontstaat een zogeheten laminaire stroming. “De twee oplossingen raken elkaar, maar ze mengen niet. Ze stromen als het ware langs elkaar heen.” Dat is precies wat Camprubi Casas wil, want zo ontstaat een systeem met een verstoord evenwicht. Het oceaanwater heeft een tekort aan elektronen, terwijl de andere oplossing een overschot heeft. Dat gaat tegen de natuurwetten in, omdat dit verschil zorgt voor een ‘voorraad’ aan energie en dat is niet de bedoeling. Energie moet worden verbruikt, niet opgeslagen.

Katalytische laag

“Waar de twee stromen elkaar raken gebeuren de interessante dingen. Hier ontstaat een neerslag [vaste stof, red.] van het ijzer uit de ene laag en de zwavel uit de andere.” Deze ijzer-zwavel-combinatie werkt als een katalysator, een stof die een chemische reactie versnelt. “Wij hopen te zien dat de elektronen uit de basische laag door de katalytische ijzer-zwavel-barrière gaan richting het koolstofdioxide in de andere laag en dat daardoor nieuwe stoffen worden gevormd zoals mierenzuur, het meest eenvoudige zuur dat slechts één koolstof bevat. Die stap is het begin van de vorming van grotere organische moleculen met meer koolstofatomen. Als dat lukt, laten we zien dat je vanuit koolstofdioxide in die omstandigheden tot allerlei moleculen komt die we nu ook zien in de biologie.”

De microfluidics chip, ingepakt in een drukbestendige container en aangesloten op alle aan- en afvoerkanalen. Bij de echte experimenten zit deze chip nog weer in een metalen cilinder. De gehele opstelling zit ook weer in een afgesloten en zuurstofloze omgeving.

Esther Thole voor NEMO Kennislink

Het blijft natuurlijk een kunstmatig gecreëerde omgeving, maar toch ziet Camprubi Casas veel overeenkomsten met de echte wereld. “Levende organismen zijn heel goed in het vormen van organische moleculen vanuit koolstofdioxide en waterstof en daarvoor gebruiken ze nu enzymen [eiwitten die reacties versnellen, red.]. Heel veel van de enzymen die we nu zien, ook in ons lichaam, bevatten ijzer-zwavelclusters die het actieve centrum vormen. Die clusters kennen we al uit de vroegste levensvormen, dat weten we ook uit ander onderzoek. IJzer-zwavelclusters vormen zich spontaan in de omstandigheden bij zo’n diepzeebron en ze katalyseren precies de reacties die kenmerkend zijn voor leven.”

Het onderzoek naar de diepzeebronnen en hun rol in het ontstaan van leven loopt al veel langer. Zijn dit soort experimenten dan nog nooit eerder gedaan? “Ja, er is veel onderzoek naar de chemie die plaatsvindt onder dergelijke condities, maar onze aanpak is anders. Wij werken met extreem hoge druk. Dat is nog niet eerder gelukt, maar het is wel nodig als je de omstandigheden echt goed wil nabootsen. Chemische reacties verlopen bovendien sneller onder hogere druk, dus om een goed beeld te krijgen van wat er kan gebeuren op de oceaanbodem, moet je die druk flink opvoeren.”

Nieuw ontwerp

En dan is er volgens Camprubi Casas nog iets wat zijn experimenten echt nieuw maakt, namelijk het ontwerp van de microfluidics-chip. Hij heeft een versie gemaakt die open kan, waardoor je van buitenaf ook mineralen, zoals de ijzer-zwavelclusters, kunt toevoegen of juist na de vorming eruit kunt halen. Dat is volgens hem belangrijk omdat de ijzer-zwavelclusters in verschillende vormen voorkomen, met verschillende activiteiten.

“De ijzer-zwavelclusters in enzymen hebben de vorm van een kubus, maar dat is heel moeilijk om in het lab te maken. Het natuurlijke ijzer-zwavelmineraal greigiet heeft precies die kubusstructuur. In onze experimenten vormt zich echter een ander mineraal, mackinawiet. Uit andere experimenten weten we dat greigiet veel beter is in de omzetting van koolstofdioxide, maar het is ook veel minder stabiel. Met onze nieuwe chip kunnen we nu veel gerichter uitzoeken wat er gebeurt als we greigiet toevoegen aan het systeem. Gaat dan meteen over in mackinawiet of niet? Of vormt zich eerst greigiet na het neerslaan van ijzer en zwavel en verdwijnt dat ook weer? Dat zoeken we nu uit.”

Maar waarom is dat belangrijk voor het zoeken naar het eerste leven? “Nou, greigiet is niet zo stabiel als mackinawiet. Dat zou kunnen betekenen dat de biologie juist greigiet gebruikt en dat de minder nuttige mineralen overblijven. Misschien hebben de allereerste voorlopers van de levende cel toevallig greigiet gebruikt en dat werkte zo goed, dat ze dat zijn blijven gebruiken.”

Camprubi Casas heeft zijn opstelling al een paar keer getest en binnenkort is het tijd voor de eerste echte experimenten. Wat gaan we hier nou precies uit leren, als het technisch allemaal lukt? “Het is vooral een stap die we gewoon moeten zetten. We moeten een keer uitproberen, onder omstandigheden die zo goed mogelijk lijken op de diepzee van lang geleden, wat er precies gebeurt als je die verschillende vloeistoffen met elkaar in contact brengt. Welke organische moleculen levert dat op, zonder dat er sprake is van leven? Daar kunnen we pas echt iets zinnigs over zeggen als we het gaan doen. De vraag die we hopen te beantwoorden is eigenlijk als een steentje in je schoen. Pas wanneer je dat probleem hebt opgelost, kun je echt verder.”

Interview over het ontstaan van het leven

Lees ook het interview met Eloi Camprubi Casas over zijn onderzoek op NEMO Kennislink.

ReactiesReageer