Je leest:

‘Metalen hebben een rol gespeeld bij het ontstaan van leven’

‘Metalen hebben een rol gespeeld bij het ontstaan van leven’

Interview met Claudia Bonfio (Cambridge) over metalen en het leven op aarde

Auteur: | 22 januari 2018

Zorgden metalen ervoor dat leven op aarde ontstond? Claudia Bonfio zoekt verbanden tussen het leven zoals we dat nu kennen en de chemische reacties die plaatsvonden op aarde voordat er leven was. “Metalen zijn van levensbelang. Ik wil graag weten hoe die zo belangrijk zijn geworden.”

Claudia bonfio
Claudia Bonfio studeerde anorganische chemie aan de Universiteit van Trento (Italië) en promoveerde aan dezelfde universiteit op de prebiotische vorming van ijzer-zwavelclusters. Ze is nu postdoc aan de Universiteit van Cambridge.
Piermaria Pinter, met toestemming

Leven draait op organische verbindingen – stoffen die zowel koolstof als waterstof bevatten. Ons lichaam zit er tjokvol mee. Alle eiwitten, suikers, vetten en ook DNA, zijn organische moleculen. Daartegenover staan de anorganische verbindingen, zoals metalen, mineralen en zouten. Grofweg kun je stellen dat chemie van leven gaat over organische moleculen, terwijl de anorganische chemie zich richt op alles wat niet leeft en nooit heeft geleefd.

In het onderzoek naar het ontstaan van leven op aarde gaat de meeste aandacht dan ook uit naar organische moleculen. De grote vraag voor veel chemici is hoe die – vaak kwetsbare – moleculen konden ontstaan in de levenloze, onherbergzame wereld van miljarden jaren geleden. Een anorganische wereld van rotsen, klei, vulkanische gassen en schadelijke uv-straling.

Die exclusieve blik op organische moleculen is te beperkt, vindt anorganisch chemicus Claudia Bonfio van de Universiteit van Cambridge (Engeland). Zij is onderzoeker in de groep van John Sutherland, met wie NEMO Kennislink onlangs een interview had over zijn onderzoek naar het ontstaan van leven. “Metalen spelen een cruciale rol in levende organismen”, aldus Bonfio. “Ook in ons lichaam. Maar naar de rol van metalen bij het ontstaan van leven wordt nauwelijks onderzoek gedaan.” Bonfio presenteerde haar werk op het Nederlandse chemiecongres CHAINS, dat afgelopen december plaatsvond. NEMO Kennislink sprak haar in de wandelgangen.

Waarom moeten we naar metalen kijken als we zoeken naar de oorsprong van leven?

“Wij kunnen niet leven zonder metalen. Denk alleen maar aan het ijzer in je bloed. Ongeveer de helft van alle eiwitten die we nu kennen, bevat een metaal en dat is essentieel voor de werking van dat eiwit. We weten dat metalen belangrijk zijn, maar we weten niet hoe ze zo belangrijk zijn geworden.”

Syn 3.0bmat09 colored
De synthetische bacterie JCVI-syn3.0 met het kleinste genoom tot nu toe. Zelfs deze uitgeklede levensvorm heeft nog ijzer-zwavel clusters nodig.

Maar dat iets nu belangrijk is voor leven, wil niet zeggen dat het ook een rol heeft gespeeld bij het ontstaan van leven. Wat als de metalen gaandeweg de evolutie belangrijk zijn geworden?

“Ik heb me in mijn promotieonderzoek specifiek gericht op het ontstaan van de zogeheten ijzer-zwavelclusters in eiwitten. Die spelen een rol in allerlei basale processen in de cel. We weten dat deze clusters al voorkwamen in de oudste, meest primitieve organismen op aarde. En ze zijn er nog steeds, ook in ons lichaam. IJzer-zwavelclusters vind je overal in de natuur. Ook in de synthetische bacterie met een minimaal genoom die de groep van Craig Venter in 2016 publiceerde, waren ijzer-zwavelclusters nog aanwezig. Het lijkt mij aannemelijk dat ze al heel vroeg een rol hebben gespeeld in het proces naar het allereerste leven.”

Wat wilde je precies te weten komen over deze clusters?

“Hoe ze gevormd zijn op de jonge aarde. IJzer en zwavel waren aanwezig, dat weten we en beide zijn ook oplosbaar in water. Maar het vreemde is dat als je ze mengt, dan krijg je een zwart poeder. Het is niet heel eenvoudig en ook niet heel logisch om te beredeneren hoe je vanuit zo’n poeder uiteindelijk komt tot een eiwit.”

Is die sprong van ijzer en zwavel naar complete eiwitten niet gewoon te groot?

“Ons idee was dat als er verband is tussen enerzijds ijzer en zwavel en anderzijds de ‘moderne’ eiwitten, dan moeten we zoeken naar een tussenvorm waar je beide in herkent. We weten dat het ijzer in de ijzer-zwavelclusters bindt aan specifieke aminozuren [de bouwstenen van eiwitten, red.] in eiwitten en vooral aan cysteïne, dat zelf ook zwavel bevat. Ons uitgangspunt was om klein te beginnen met enkele aminozuren waar ijzer aan bindt en met zwavel een cluster vormt en dan stapsgewijs aminozuren aan te koppelen tot een langere keten, zodat je iets krijgt dat begint te lijken op een eiwit.”

Ben feringa en bert meijer bij nemo experiment
Nobelprijswinnaar Ben Feringa en supramoleculair-wetenschapper Bert Meijer bij de nieuwe opstelling van het Miller-Urey-experiment in NEMO Science Museum op 13 oktober 2017.
DigiDaan

Was cysteïne ook aanwezig op de prebiotische aarde?

“Goed punt, cysteïne hoort niet bij de aminozuren die worden gevormd volgens de prebiotische routes die door Sutherland zijn voorgesteld. Maar andere groepen hebben wel de prebiotische vorming van de voorloper van cysteïne laten zien. En in een variant van het beroemde Miller oersoep-experiment, waarin ook een zwavel bevattend gas was toegevoegd, zijn degradatieproducten van cysteïne aangetoond. Al met al lijkt het heel waarschijnlijk dat cysteïne aanwezig was voordat het eerste leven ontstond.”

Is het gelukt om iets te maken wat op een eiwit lijkt?

“Ja, vooral toen we richting langere ketens gingen. Dat was ook te verwachten, want hoe langer de keten, hoe beter het reactieve ijzer-zwavel cluster wordt afgeschermd en hoe stabieler de structuur wordt. Net als in volwaardige eiwitten. Onze structuren gingen steeds meer richting iets dat op een voorloper-eiwit lijkt. Maar dat was voor mij niet het belangrijkste resultaat uit het onderzoek. De rol van uv-licht in de vorming van de clusters was voor mij de grootste verrassing.”

Ijzerzouten in zonlicht bonfio
IJzerzouten in het zonlicht. Het licht brengt het ijzer in de juiste toestand om met zwavel te kunnen binden in een cluster. Deze foto nam Bonfio voor een fotowedstrijd.
Claudia Bonfio, met toestemming

Hoe zit dat dan?

“Mijn uitgangspunt was om te onderzoeken of ijzer-zwavelclusters gevormd kunnen worden onder omstandigheden die verenigbaar zijn met de prebiotische vorming van andere belangrijke moleculen, zoals aminozuren, nucleotiden [bouwstenen van DNA, red.] en lipiden [bouwstenen van celmembranen, red.]. Het heeft geen zin om een scenario voor de vorming van ijzer-zwavelclusters te bedenken dat daar totaal niet mee te combineren valt. We weten dat op de jonge aarde uv-straling aanwezig was en het onderzoek van Sutherland heeft laten zien dat uv-straling een belangrijke rol als katalysator vervult bij de vorming van allerlei belangrijke organische moleculen. We hebben uv-straling daarom als een gegeven meegenomen en gezocht naar chemische reacties die geen last hebben van die straling.”

Fe s clusters bonfio
Vorming van ijzer-zwavelclusters onder invloed van uv-licht (hv). Linksboven: Het uv-licht zorgt ervoor dat zwavel (S) vrijkomt uit een zwavel-bevattende brond (RS). Rechtsboven: Het uv-licht brengt ijzer (Fe) in de juiste oxidatietoestand, van Fe(2+) naar Fe(3+). Vervolgens vormen zich ijzer-zwavelclusters (midden en onder). Door de aminozuurketens R steeds langer te maken, ontstaat stapsgewijs een structuur die gaat lijken op ferredoxines, een groep ijzer-bevattende eiwitten.

“Bij het uitvoeren van de experimenten zagen we niet alleen dat uv-straling geen verstorende factor was, maar bleek tot onze verrassing dat uv-straling zelfs een positief effect had. Het werkt als katalysator voor de vorming van ijzer-zwavelclusters. Dit is voor mij het belangrijkste resultaat van mijn onderzoek, omdat het laat zien dat het haalbaar is om tot een alomvattend scenario te komen voor het ontstaan van leven. Een scenario waarmee we kunnen verklaren hoe de aminozuren, nucleotiden, lipiden, ijzer-zwavelclusters en allerlei andere belangrijke verbindingen allemaal onder dezelfde omstandigheden konden ontstaan. Dat vind ik een heel belangrijk inzicht.”

Wat wil je bereiken met je onderzoek?

“Ik wil vooral graag de verbanden ontdekken tussen de prebiotische chemie en de moderne biologie. Dat vond ik zo mooi aan mijn onderzoek, dat we een heel duidelijke link zagen tussen hoe ijzer-zwavelclusters nu worden gemaakt door eiwitten en hoe ze onder prebiotische omstandigheden gemaakt kunnen zijn. In beide gevallen wordt een zwavel-bevattende verbinding omgezet in iets anders, waardoor het zwavel vrijkomt. UV-straling induceert die omzetting, net zoals dat nu in levende cellen gebeurt door eiwitten. Dat is natuurlijk geen knalhard bewijs dat het miljarden jaren geleden exact zo is gegaan, maar het geeft wel aan dat we op het juiste spoor zitten. Zo’n resultaat vind ik geweldig, dat we biologische processen kunnen verklaren vanuit een heel ‘primitief’ startpunt.”

Bronnen:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 januari 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.