Naar de content

'Ik gebruik druppeltjes om het ontstaan van leven te begrijpen'

Chemicus Evan Spruijt zoekt naar simpele druppeltjes die kunnen groeien en delen

Hamhock666 via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Van een chaotische verzameling moleculen naar een goed georganiseerd geheel dat zichzelf kan vermenigvuldigen. Zo is leven op aarde waarschijnlijk ontstaan. Chemicus Evan Spruijt probeert dat proces na te bootsen met druppeltjes.

Hoe kon ooit, miljarden jaren geleden, uit een waterige soep vol verschillende moleculen een afgeschermd geheel ontstaan dat zich heeft ontwikkeld tot de eerste levende cel? Dat is de grote vraag voor chemicus Evan Spruijt, assistant professor aan de Radboud Universiteit in Nijmegen.

Spruijt is zeker niet de enige die zich dit afvraagt, maar hij kiest wel een originele benadering. Veel wetenschappers die onderzoek doen naar het ontstaan van leven en de allereerste cellen werken met in het lab gemaakte bolletjes of andere celachtige structuren met een membraan – het omhulsel dat zorgt voor een duidelijke scheiding tussen de binnenkant en de omgeving. Spruijt kijkt juist naar druppeltjes zonder membraan, de zogeheten coacervaten. NEMO Kennislink sprak hem over deze bijzondere structuren die ook in onze moderne cellen allerlei belangrijke functies vervullen.

Wat probeer je precies te doorgronden?

“Hoe kan een levende cel zijn ontstaan uit een verzameling losse moleculen? Dat is voor mij de meest intrigerende vraag en daar wil ik graag een antwoord op vinden. Of een deel van het antwoord, dat zou al heel mooi zijn. Hoe die allereerste cel ooit precies is ontstaan, dat kunnen we nooit aantonen, maar we kunnen wel proberen om het principe te achterhalen. Dat je laat zien of een bepaalde manier wel of niet waarschijnlijk is geweest.”

Hoe vertaal je zo’n algemene vraag naar concreet onderzoek?

“Voor mij is het uitgangspunt dat er al een basale collectie ronddrijvende moleculen was en ik concentreer me op de vraag hoe in die omgeving een compartiment is ontstaan. Hoe konden die losse moleculen iets groters vormen dat bovendien functioneel was, het kon iets doen. Ik wil bijvoorbeeld graag weten hoe zo’n compartiment zich kon vermenigvuldigen.”

Dus jij denkt dat alle benodigde moleculen voor dat compartiment er al waren?

“Nou, niet alle hoor, dat hoeft niet. Dat eerste compartiment kan ook zelf bouwstenen zijn gaan maken, zoals levende cellen dat nu ook doen. Het gaat mij om het vormen van dat afgescheiden systeem, een aparte entiteit die verschilt van de omgeving en die zichzelf ook afgescheiden houdt.”

Een levende cel met groene, rode, blauwe en gele bolletjes.

Een levende cel met daarin verschillende onderdelen aangekleurd, de gele bolletjes zijn coacervaten.

Nott, et al, Molecular Cell (2015), doi:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2015.01.013

En dat eerste afgescheiden compartiment is volgens jou een soort druppeltje zonder omhulsel geweest? Dat is eerder ontstaan dan ‘iets’ met een membraan als buitenkant?

“Of coacervaten, de druppeltjes zonder omhulsel, er eerder waren, dat weet ik niet. Maar een celmembraan is best een ingewikkeld geheel en ik denk dat het waarschijnlijk is dat coacervaten er al heel vroeg waren, omdat die vanzelf ontstaan als bepaalde moleculen elkaar aantrekken. Daarom gebruik ik ze als model voor primitieve cellen. Maar onze cellen bevatten ook allerlei coacervaten, de membraanloze organellen. Dit onderzoek is daarom ook nuttig voor het begrijpen van moderne cellen en rol van die coacervaten daarin.”

Je zegt dat bepaalde moleculen spontaan coacervaten kunnen vormen. Wat voor moleculen zijn dat?

“Voor een coacervaat heb je flexibele moleculen nodig die elkaar aantrekken of waarvan delen binnen het molecuul elkaar aantrekken. Vaak zorgt een tegenstelling tussen moleculen voor de juiste aantrekkingskracht. Je kunt bijvoorbeeld positief en negatief geladen moleculen gebruiken met meerdere ladingen. Zoals ATP, het molecuul dat de belangrijkste energiedrager is voor levende cellen. Dat heeft vier negatieve ladingen per molecuul en het vormt gemakkelijk een coacervaat met moleculen die meerdere positieve ladingen hebben, zoals een strengetje positief geladen aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Kort door de bocht gezegd: als je twee moleculen hebt die liever bij elkaar in de buurt zitten dan bij de omringende watermoleculen, dan ontstaat er een coacervaat.”

Als het zich zo makkelijk vormt, valt het waarschijnlijk ook weer makkelijk uit elkaar. En wat heb je er dan aan als je zoekt naar een afgescheiden compartiment?

“Er moet natuurlijk wel voldoende van beide tegenpolen aanwezig zijn om een druppeltje te vormen, maar die concentraties hoeven niet eens heel hoog te zijn. Een coacervaat is een heel dynamisch systeem, wat wil zeggen dat moleculen er makkelijk ‘in’ en ‘uit’ gaan. Dus een ATP-molecuul blijft daar niet constant zitten, maar als er eentje uit gaat, komt er meteen een ander weer in. Er is veel uitwisseling, maar zolang dat in evenwicht is, blijft het druppeltje intact. De lokale omgeving van zo’n druppeltje is heel bepalend, maar er is veel variatie mogelijk in hoe die lokale omgeving eruitziet. Het is daarom geen gekke gedachte dat er een selectie is geweest op een bepaalde omgeving omdat daar een gunstige reactie kon plaatsvinden. Ook in de cel zien we een grote variëteit aan lokale omgevingen met daarin coacervaten. Dat maakt ze voor mij heel interessant.”

Coacervaten uit het lab van Evan Spruijt

 Evan Spruijt

Wat heeft die selectie met het mogelijke allereerste leven te maken?

“De kernvraag is nog steeds hoe je van losse moleculen naar iets groters kunt komen, naar een compartiment dat iets is gaan ‘doen’. We weten uit experimenten, ook van andere onderzoeksgroepen, dat langere moleculen met meerdere ladingen makkelijker en meer worden opgenomen door een coacervaat dan kortere. Dat is niet verrassend, want zo’n langer molecuul kan aan meer andere moleculen plakken. Deze voorkeur stimuleert dus de vorming van langere strengen en daarmee ook grotere coacervaten. Hetzelfde proces zie je bij belletjes in een schuimlaag, kleine belletjes worden altijd groter, want dat levert een gunstiger oppervlakte-inhoud verhouding. Het kost minder energie om een groter belletje in stand te houden en dat geldt voor coacervaten ook.”

“Als dus een coacervaat de juiste, gunstige omgeving biedt om twee korte strengen aan elkaar te koppelen tot een langere streng, dan duw je de hele reactie in de richting van grotere moleculen. Die langere strengen blijven vervolgens liever in het coacervaat en als steeds kleine moleculen door de continue uitwisseling even in het coacervaat komen en dan worden gekoppeld tot een langere streng, dan krijg je dus steeds meer langere strengen die daar willen blijven en zo ‘groeit’ je coacervaat. Omdat het zo’n beweeglijk geheel is, kan er vervorming optreden en kan zo’n druppeltje op een gegeven moment in tweeën splitsen. Daar zoeken we naar, iets dat groeit en zich vermenigvuldigt.”

Zo maak je coacervaten. Uit een mengsel van elkaar aantrekkende moleculen ontstaan druppeltjes die steeds groter worden. Als er niets wordt toegevoegd of veranderd, krijg je uiteindelijk een twee-lagen systeem.

 Evan Spruijt

Maar dan moet je wel met bouwstenen werken die op de jonge aarde aanwezig waren. Welke gebruik jij hiervoor?

“We proberen de kleinst mogelijke peptiden, dat zijn korte strengetjes van aminozuren, te vinden die nog een coacervaat vormen. Als je zoekt naar iets dat een rol speelde bij het ontstaan van leven, dan moet je zoeken naar een zo eenvoudig mogelijke bouwsteen. We weten dat er al aminozuren op aarde waren, voordat er leven was en we weten dat aminozuren ook zelf peptiden kunnen vormen, daarom vinden we dit zinvolle bouwstenen. Vervolgens gaan we kijken welke peptiden in een coacervaat langere strengen gaan vormen, waardoor dat druppeltje gaat groeien en met welke snelheid dat gaat.”

“Uiteindelijk hopen we druppeltjes te laten ontstaan die hun eigen groei stimuleren en die door te groeien ook gaan delen, waardoor er meer druppeltjes ontstaan die ook weer groeien. Als dat lukt, dan hebben we volgens mij iets dat best aardig op een voorloper van de allereerste cel lijkt.”

ReactiesReageer