DNA en "the secret of life"

gastbijdrage Nand Braam

1. Eerste en tweede orde design

Kijk naar de idee van theïstische evolutie, meer speciaal de procestheologie. In de procestheologie stelt men dat God de wereld doet zijn, door immanent object van haar verlangen te zijn, maar óók en prominent dat God door de wereld beïnvloedt wórdt, of beter: dat God zich verandert aan de wereld. Zo verenigt dit beeld immanentie én transcendentie; en het is een onpersoonlijk én persoonlijk beeld van de relatie God-wereld. 

Wanneer iemand binnen een zienswijze als hier gepresenteerd van “design” zou willen spreken dan zou dat gespecificeerd moeten worden als “tweede orde design”. Het betreft niet een idee van God die in directe zin ordonneert dat er een wereld moet komen met levende wezens en intelligente wezens, of dat de dinosaurussen moeten uitsterven, of dat er dan en daar in de geschiedenis een aardbeving moet plaats vinden etc. Dat zou een “direct design” of “eerste orde design” zijn. Maar zoals aangegeven, de goddelijke attractie is geen aansturen op een vast punt, maar een wens of plan dat ieder gebeuren wordt wat het gegeven de omstandigheden het “mooiste” kan worden, waarbij de concrete invulling van “wat” dat meest wenselijke is dus afhangt van de contingente omstandigheden. Iets preciezer: dat “plan” kan qua formele invulling onveranderlijk zijn (“het beste in de gegeven omstandigheden”), maar is qua materiële invulling variabel.

DNA ©Bergstrom, Dugatkin (2011) 'Evolution', p. 390

2. Structuur van DNA
Laten we de concrete structuur van DNA eens beter bekijken in onderdelen (zie figuur).

a. suiker
De backbone bestaat uit deoxyribose, ontstaan door ringsluiting van de open keten van de pentose deoxyribose zodat een stabiele 5-ring ontstaat (4 C-atomen in de ring en 1 O-atoom).
Uit een open keten tetrose kun je op papier een ringstructuur krijgen met 4 atomen in de ring (3 keer C + 1 keer O, maar zo’n ringstructuur is niet stabiel (hoeken van 90 graden, teveel afwijking van de tetraëderhoek van koolstof, dus te grote ringspanning).
Uit een open keten hexose (bv. glucose) kan een stabiele 6-ringontstaan (5 keer C + 1 keer O).
Echter we hebben een heel lange keten nodig die "slim"compact opgevouwen moet kunnen worden, anders wordt het een rommeltje. Een paar graden uit koers stelt op korte afstand weinig voor, maar op de lange afstand leidt dit tot een heel ander eindresultaat. Een eindresultaat dat waarschijnlijk niet geschikt is om de functies die DNA nu vervult, ook te kunnen vervullen.

b. fosfaat
In de backbone zijn de deoxyribosemoleculen aan elkaar gekoppeld met behulp van fosfaat. De vraag is waarom er geen DNA bestaat met het As-atoom ingebouwd in plaats van het P-atoom? Louter vanuit chemisch-technisch oogpunt gezien is er weinig tegen in te brengen. Het As-atoom verzorgt zijn 3 bindingen met de 3 O-atomen op dezelfde manier als het P-atoom. Omdat As een groter atoom is dan P zal de sterkte van de binding tussen As en O, minder zijn dan tussen P en O, waardoor de verbinding minder stabiel zal zijn.
Nu doet zich de omstandigheid voor dat onderzoekster Felisa Wolfe-Simon aangetoond zou hebben, dat in Lake Mono in Californië bepaalde bacteriën, waar het milieu "stijf" staat van de arseen, inderdaad arseen in hun DNA zouden hebben ingebouwd. Echter de Canadese microbiologe Rosie Redfield zegt dat Wolfe-Simon haar werk niet goed heeft gedaan. Ze deed de experimenten van Wolfe-Simon over en constateert: “We hebben geen gevallen geobserveerd waarbij de arseenrijke culturen groeiden”. Wolfe-Simon en haar team hebben de bacterie kennelijk slordig gewassen voordat ze gingen analyseren, is de conclusie van Redfield. Het meningsverschil is duidelijk in het voordeel van Redfield beslecht: 'Geen tijd' voor grondige test arseen-bacterie

Als het theoretisch niet zo vreemd is als As wordt ingebouwd in DNA in plaats van P en als er dan omstandigheden zijn die in het voordeel zijn van As ten opzichte van P ( in Lake Mono staat het “stijf” van de arseen en is P in de minderheid (normaal in de natuur andersom) en dan gaat de betreffende bacterie toch de P die er is (de As die er ruim voldoende is negerende) inbouwen in het DNA, dan kunnen we zeggen, naar mijn bescheiden mening, dat hier iets bijzonders aan de hand is. Kennelijk vraagt de stabiliteits eis om inbouw van P in plaats van As, ook al is As ruim voldoende aanwezig.

c. De bases

In de treden van de wenteltrap van de dubbele helix in het DNA zijn slechts 4 verschillende basen verwerkt: guanine, cytosine, adenine en thymine. Ze zijn gekoppeld aan de backbone na reactie met de OH-groep die aan het eerste koolstofatoom vastzit van de ringstructuur van deoxyribose.
Andere stoffen dan A, C, G, T zal maar zeer beperkt mogelijk zijn naar mijn bescheiden mening. In de noodzakelijke stoffen voor de treden van de trap zal een N-H binding moeten zitten in een mesomere ringsituatie. Alleen dan kan waarschijnlijk de H in de N-H binding reageren met de OH-groep op het eerste C-atoom van deoxyribose en zo (onder uitsluiting van water) een N-C binding vormen. In A, C, G, en T hebben we zo’n situatie. Dat zal niet toevallig zijn.

Zijn er andere atomen mogelijk in de treden van de wenteltrap van DNA dan C, O, N, H? Bv. S in plaats van O? S in DNA lijkt me hierom moeilijk omdat de dubbele binding tussen koolstof en zwavel veel zwakker is dan die tussen koolstof en zuurstof. Waarom is dat ? Zuurstof en zwavel staan weliswaar in dezelfde groep van het periodiek systeem, maar zwavel heeft een schil meer en de valentie-elektronen (de elektronen die de binding moeten gaan verzorgen) zitten nu juist in de buitenste schil. Dat betekent dan een zwakkere binding (grotere afstand). De verbinding met S i.p.v. O zal dan waarschijnlijk minder stabiel zijn. Bovendien is een waterstofbrug tussen de H van het ene molecuul en de S van het andere molecuul veel zwakker dan de waterstofbrug van het ene molecuul met de O van het andere molecuul (de elektronegativiteit van zuurstof is veel groter dan die van zwavel; O 3,5 en S 2,5). De stabiliteit van de dubbele helix zal naar mijn bescheiden mening dan een stuk minder worden.

Kan er geen enkel atoom of atoomgroep vervangen worden in de 4 basen?

- In eerste instantie lijkt de methyl-groep in thymine overbodig. Als die weg is heb je in feite uracil (zoals het geval is in RNA). Maar nu schijnt juist die methylgroep in thymine voor het DNA weer erg belangrijk te zijn: Why does uracil replace thymine in RNA?
- Amino-groep in cytosine weglaten. Nog slechts 2 van de 3 H-bruggen over in de combinatie G-C. Dubbele helix waarschijnlijk niet meer stabiel
- Amino-groep in adenine weglaten. Nog slechts 1 H-brug over in de combinatie A-T. Dubbele helix waarschijnlijk niet meer stabiel.

Om de wenteltrap in stand te houden door middel van waterstofbruggen zijn specifieke groepen/atomen nodig voor elk molecuul in de trede. Bij adenine zijn dat de aminogroep en het N-atoom dat vastzit aan het C-atoom waar ook de amino-groep aan vastzit. Voor thymine zijn dat de tweede nog vrije N-H groep en de C=O naast laatstgenoemde N-H groep. In guanine zijn dat de C=O groep, de N-H groep daarnaast en de amino-groep aan het C-atoom daarnaaast. In cytosine zijn dat de C=O, het N-atoom daarnaast en de amino-groep aan het C-atoom daarnaast.

Krachtige H-brug-vorming is maar beperkt mogelijk (eigenlijk alleen met O en N en F). Met name ook de (volgens mij) noodzakelijk mesomerie in de ring maakt de keuze van geschikte basen beperkt.

Ook de ruimtelijke bouw in de dubbele helix stelt voorwaarden. Afgezien van de noodzakelijke waterstofbruggen moet het ruimtelijk over een groot gebied natuurlijk ook kloppen. Het is waarschijnlijk niet zo maar dat de combinatie A-T er een is van een tweevoudige ring (A) met een enkelvoudige ring (T), hetgeen we terugzien bij het koppel G (tweevoudige ring) en C (enkelvoudige ring).

Het verschil tussen de A-vorm en de B-vorm van DNA is volgens mij alleen dat bij de A-vorm de conformatie enigszins ingedrukt is. Voor de rest is alles hetzelfde. Ook de H-bruggen zijn volgens mij precies zo intact als in de B-vorm. Chemisch gezien dus geen verschil, alleen in de conformatie verschil.


3. Conclusie

 
Als we nu het verhaal onder 1 koppelen aan de feiten onder 2. mogen we dan zeggen dat in het kader van de procestheologie dit een schoolvoorbeeld is van tweede orde design? DNA is het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden.