Alle thema's

‘Leven is een proces, geen absoluut begrip’

Lee Cronin wil alternatieve levensvormen maken om zo het ontstaan van leven te begrijpen

Deze publicatie is onderdeel van de thema's: Leven bouwen met moleculen, Synthetische biologie

Wanneer is een molecuul complex genoeg om te bewijzen het door iets levends is gemaakt? Dat is de vraag die chemicus Lee Cronin drijft in zijn zoektocht naar alternatieve levensvormen. Met NEMO Kennislink deelde Cronin zijn visie over het ontstaan van leven, en vertelde hij onder meer wat sladressing ons kan leren.

door

Lee cronin nijmegen 3

Lee Cronin tijdens zijn Big Ideas lezing in Nijmegen. Ted van Aanholt via Radboud Reflects (met toestemming)

Met ingesleten oordelen over wat leven is en hoe het is ontstaan, hoef je bij Leroy (Lee) Cronin niet aan te komen. Deze hoogleraar chemie aan de Universiteit van Glasgow staat bekend om zijn uitgesproken ideeën en zijn brede onderzoeksinteresse.

Hij werkt onder meer aan het ontstaan van leven, aan anorganische chemie, aan 3D-printen van medicijnen, aan de zoektocht naar buitenaards leven, aan robotisering van organische syntheses en aan het bouwen van alternatieve levensvormen met niet-biologische bouwstenen.

Op uitnodiging van het InScience Festival en Radboud Reflects was Cronin in november in Nijmegen. NEMO Kennislink sprak hem over zijn visie op wat leven is, hoe het is ontstaan en hoe we daar onderzoek naar kunnen doen. Het werd een enerverend en bomvol gesprek.

Chemici die onderzoek doen naar het ontstaan van leven lijken sterk gericht op het vinden van prebiotische moleculen…
Cronin breekt meteen in: “Het gaat niet om de moleculen. Chemici zijn van nature zo gericht op moleculen dat ze geen oog hebben voor het onderliggende proces dat zorgt voor de overgang van niet-leven naar leven. Het draait om evolutie. Ook voordat er leven was, want er was wel al een omgeving. En die omgeving was onderhevig aan allerlei veranderingen, waardoor er met de tijd verschillende sub-omgevingen ontstonden. Dat proces is heel relevant, want door die veranderingen ontwikkelde zich ergens een lokale situatie waar leven kon ontstaan en kon voortbestaan. Ik wil graag weten welke natuurwetten daaraan ten grondslag liggen. Aan het creëren van een situatie waarin die overgang van niet-leven naar leven mogelijk wordt.”

Ebola virus in niercellen aap

Ebolavirusdeeltjes (blauw) vermenigvuldigen zich in de niercellen van een geïnfecteerde aap. NIAID via Wikimedia Commons CC BY 2.0

We ontkomen ook dan niet aan een definitie van leven, hoe lastig dat ook is. Wanneer noem jij iets levend?
“We moeten af van de koppeling tussen levend en leven. Die twee zijn namelijk niet automatisch hetzelfde. We draaien de rollen om, zodat ik dit punt duidelijk kan maken. Ik ga jou nu wat vragen. Leef jij?”
Thole: “Ja.”
Cronin: “Leeft een virus?”
Thole: “Dat hangt ervan af waar het virus zich bevindt.”
Cronin: “Leeft je computer?”
Thole: “Nee.”

Cronin: “Kijk, ik ben het dus niet met je eens wat betreft de eerste twee vragen. Voor mij is een virus buiten een cel net zo dood als jij nu bent, waarbij ik er even vanuit ga dat je niet zwanger bent. Als we van een virus zeggen dat het levend is zodra het zich in een cel vermenigvuldigt, maar dat het daarbuiten niet leeft, dan geldt dat wat mij betreft ook voor andere organismen. Dit laat precies zien waarom het zo belangrijk is om de context te weten. Een definitie van leven en levend is alleen zinvol als je de context kent. Leven is afhankelijk van de randvoorwaarden; het is geen absoluut begrip, maar een proces.”

Emergentie

In verschillende onderzoeksvelden duikt regelmatig de term ‘emergentie’ (Engels: emergence) op, vaak in relatie tot ‘emergente eigenschappen’ of ‘emergent gedrag’. Hiermee wordt het ontstaan bedoeld van eigenschappen, functies of systemen die je niet direct op basis van hun individuele componenten kunt voorspellen of naar kunt herleiden. Een emergente eigenschap ontstaat door de interactie tussen de verschillende componenten die zelf geen van allen die eigenschap bezitten. Dit wordt ook vaak omschreven als ‘complex gedrag’.
Voorbeelden van emergentie zijn onder meer de collectieve intelligentie van eencelligen die samenklonteren tot een (tijdelijk) groter organisme om nieuwe voedselbronnen te vinden, van mieren waardoor ze een nuttige mierenhoop vormen of van vogels die door gecoördineerde bewegingen aanvallers verjagen. Emergentie vinden we ook in tal van natuurkundige verschijnselen, op de financiële markten, in de werking van ons brein, in data- en communicatienetwerken en in verkeersstromen. Ook het ontstaan van leven uit niet-levende materie is een voorbeeld van emergentie.

Maar dat brengt ons nog steeds bij een vergelijkbare vraag, namelijk: waar moeten we naar zoeken als het gaat om het ontstaan van leven? Wat is voor jou dan het startpunt van dat proces? Hoe kunnen we bepalen of er een overgang van niet-leven naar leven heeft plaatsgevonden?
“Als er complex of emergent gedrag ontstaat, dat je niet direct kunt afleiden uit de losse elementen van het systeem. Maar goed, dat zijn nog steeds behoorlijk vrijblijvende concepten waarbij je het definitieprobleem deels verschuift. Ik denk daarom liever in ‘objecten’. Wat zijn de meest eenvoudige objecten die het vermogen hebben om zich verder te ontwikkelen, om te evolueren? Het moeten objecten zijn met een eigen identiteit, die herkenbaar zijn en zich onderscheiden van andere objecten.”

“Je hebt ook evolutie nodig en dus competitie en dus meerdere verschillende objecten die de strijd aangaan over bouwstenen en ruimte. Ik heb het hier niet over Darwiniaanse evolutie, maar simpelweg over objecten die niet uit elkaar vallen of oplossen of door andere objecten worden afgebroken en dergelijke. Overleven is het enige doel. Je zou een duizend jaar oude steen dan als zeer succesvol kunnen zien. Maar in die steen gebeurt niets, ook al is er brandstof en energie aanwezig. Daar zoeken we niet naar, we zoeken naar objecten met dynamische eigenschappen, die continu brandstof nodig hebben.”

Kun je dit iets concreter maken?
“Ja, denk maar aan de dressing die je voor je salade maakt. Olie in water, dat is waar we nu concreet mee werken. We hebben een gerobotiseerd systeem gemaakt dat olie en water in verschillende verhoudingen mengt en dan gaat schudden. Dat levert interessante taferelen op en we zien duidelijke verschillen tussen de mengsels. Natuurlijk is dit geen levensvorm, maar het gedrag dat we zien vertoont veel parallellen met levende systemen: hoe ‘cellen’ zich delen of met elkaar fuseren; hoe grotere eenheden kleinere opslokken. Wat ze gemeen hebben is dat er een doorlopende aanvoer van energie nodig is, in dit geval het schudden. Er is dynamiek en dat is cruciaal want dat is wat leven van niet-leven onderscheidt: de dynamiek. Levende systemen kenmerken zich juist door hun doorlopende behoefte aan brandstof. Zolang er brandstof is, zien we complex gedrag in onze sladressing.”

Interview (Engels) met Lee Cronin waarin hij vertelt over complexiteit in de chemie en hoe eenvoudige mengsels heel complex gedrag kunnen ontwikkelen. Bron: Chemistry World/Anthony King, 13 mei 2016

Maar wat leert ons dit over het ontstaan van leven?
“Ik zoek naar manieren om een nieuwe levensvorm te laten ontstaan en dit is een begin. Om dat te bereiken moeten we objecten creëren die ver uit evenwicht kunnen opereren [leven is een niet-evenwichtsituatie, red.] doordat ze een continue aanvoer van brandstof hebben; die complex gedrag kunnen ontwikkelen en die, nog wat verder gedacht, ook ‘nakomelingen’ kunnen voortbrengen die idealiter beter presteren dan hun ‘ouders’. Dat is het doel. En de reden dat ik aan het begin zei dat het niet om specifieke moleculen draait, is dat dit proces van evolutie en ontwikkeling zich niet voordoet op het niveau van individuele moleculen. Je moet moleculen bij elkaar houden en een bepaalde concentratie bereiken. Binnen zo’n min of meer afgesloten omgeving kan dan complex gedrag ontstaan. Dan heb je het dus over een heel primitieve cel. Dat is wat ik uiteindelijk wil bereiken. Een systeem waarin spontaan cellen ontstaan die zich gaan ontwikkelen.”

Mo nanowiel cronin

Dit zijn het type moleculen waar Cronin aan werkt als alternatief voor biologische bouwstenen. We zien hier een ‘nanowiel’ (de buitenste ring) opgebouwd uit 150 molybdeniumatomen (een metaal) dat via zelf-assemblage is gevormd, waarbij het binnenste cluster als sjabloon dient. De wijze waarop deze grote metaalcomplexen zich vormen en gedragen vertoont sterke gelijkenis met het gedrag van biologische macromoleculen. H.N. Miras, et al., Science (2010), doi:10.1126/science.1181735

Dat is niet per se hetzelfde als leven creëren. Wat is het bewijs dat zoiets een levensvorm is?
“Dat het een molecuul kan maken dat zo complex is dat het in geen geval door willekeurige reacties kan zijn ontstaan. Dat is de biosignature, het teken van leven, waar we naar zoeken. Hoe complex moet een molecuul minimaal zijn om aan te tonen dat een levensvorm het heeft gemaakt? Dat is de vraag waar ik de afgelopen twee jaar aan heb gewerkt. Wat mij betreft is dit dé vraag waar het allemaal om draait: welk molecuul moet ik laten zien om anderen ervan te overtuigen dat er leven achter zit?”

Gaat dat mensen overtuigen? Ik ben bang dat je hoe dan ook weer verzandt in de discussies over de definitie van leven.
“Het zal niet zonder slag of stoot gaan. Veel wetenschappers zijn ervan overtuigd dat er maar een soort levensvorm is en dat je daar altijd DNA en eiwitten voor nodig hebt. Het grote probleem is natuurlijk dat we ook maar een voorbeeld hebben en daardoor is ons denken heel biologisch gekleurd. Maar misschien zijn er wel andere levensvormen zonder DNA en eiwitten die we simpelweg nog niet als leven hebben herkend. Daarom wil ik graag een nieuw theoretisch raamwerk opstellen dat ons helpt om op een andere manier naar leven te kijken. Om het meer als een proces te zien. Ik ga jou weer wat vragen: denken moleculen?”
Thole: “Nee”
Cronin: “Waar bestaan je hersenen uit?”
Thole: “Uit moleculen, maar één molecuul kan niet denken.”
Cronin: “Aha, dat zei ik niet. Maar je ziet mijn punt, moleculen kunnen wel denken maar ze kunnen het niet in hun eentje. Ze hebben een gezamenlijke constructie nodig, de hersenen. Maar wat is het in die constructie dat ervoor zorgt dat moleculen kunnen denken? Sorry voor de woordspeling, maar die vraag vind ik mindblowing en volgens mij kan alleen de chemie er een antwoord op bieden.”

Lee cronin nijmegen 2

Lee Cronin tijdens zijn lezing in Nijmegen. Ted van Aanholt via Radboud Reflects (met toestemming)

Vinden jouw ideeën weerklank onder chemici?
“Er zijn best veel chemici die zien dat we vastzitten in oude dogma’s, maar dat betekent niet dat men openstaat voor nieuwe invalshoeken. Origins of life-onderzoek is toch vooral een hobby voor oude mannen omdat er nauwelijks financiering voor is. Een positieve uitzondering is Wilhelm Huck hier in Nijmegen en er zijn nog wat mensen in Nederland die hieraan werken, maar het veld is klein. De oude garde heeft hun hele loopbaan opgebouwd rond een bepaalde visie en ze zullen die met hand en tand verdedigen. Je gelijk volhouden totdat je sterft, die houding zie je veel. Je weet wat ze zeggen: science proceeds one funeral at a time. Maar dat is niet de manier waarop ik wetenschap wil bedrijven. Ik stel graag provocerende vragen waarvan iedereen zegt dat het volslagen idioot is. En dan ga ik de vraag ontleden om te laten zien dat het misschien niet zo idioot is. Natuurlijk weet ik ook wel dat dit geen makkelijk onderwerp is, want tot nu toe is het niemand gelukt om leven te maken. Maar ik denk echt dat ik een kans heb om iets nieuws te ontdekken.”