20 May 2019

Waarom er geen gaten zitten in de genetische code

Abstract:
Julius Fredens et al have succeed to eliminate 2 codons for the amino acid Serine and 1 stopcodon from the genetic code of the bacterium Escherichia coli by creating a fully synthetic genome.
In this blog I suggest that on an evolutionary time scale mutation pressure
in this bacterium will re-create the deleted codons elsewhere in the genome by point mutation. But because they cannot be translated, those blank codons will function as stop codons and will terminate protein synthesis. This would be harmful. Consequently, there will be a negative selection for blank codons and a positive selection for meaningful codons (as long as those codons can be translated). I suggest a general rule: natural genetic codes will not have empty codons. All 64 codons will have a meaning. There will be no holes.
U en ik zijn hier op aarde omdat twee mensen seks hebben gehad. De oorzaak dat U en ik op onze ouders lijken is DNA. Maar, het rare is dat er in het DNA helemaal geen bouwplan voor het menselijk lichaam opgesloten ligt. Het DNA 'codeert' [1] uitsluitend voor eiwitten. Preciezer gezegd: DNA codeert voor losse aminozuren, de bestanddelen van eiwitten. Het DNA codeert voor maar 20 verschillende aminozuren. Dat is alles! Dat is de hele erfelijkheid! Dat is alles wat DNA doet! Hoe uit losse aminozuren een menselijk lichaam ontstaat is een ander verhaal. Over die genetische codering, de universele vertaalsleutel om de informatie in DNA te vertalen naar eiwitten, gaat dit blog.

Hoe zit die code in elkaar? De natuur heeft gekozen voor een nogal merkwaardige manier van coderen. Hoe er voor die 20 aminozuren wordt gecodeerd heeft niemand kunnen voorspellen. Dat volgt uit geen enkele theorie. Er is geen formule waar je het uit af kunt leiden. Het lijkt een arbitraire afspraak [4]. De natuur heeft gekozen om 61 codes te gebruiken voor 20 aminozuren. Dat is gemiddeld 3 codes per aminozuur. Voeg daarbij nog 3 stop codes. Dat zijn in totaal 64 codes. Die 64 codes vind je traditioneel in een tabel van 64 vakjes (zie figuur).

Ik schreef gemiddeld 3 codes per aminozuur. Maar bijvoorbeeld het aminozuur Serine heeft 6 verschillende codes. Anders gezegd: Serine heeft 6 synonieme codes. 'Synoniem' impliceert dat die codes onderling inwisselbaar zouden zijn. In de tabel met alle 64 codes zie je daarom Serine 6 keer verschijnen. Ieder vakje is een andere code.

Figuur 1: 64 universele genetische codes en 20 aminozuren.
Twee codes van de zes codes voor aminozuur Serine worden vervangen door 2 andere
en één stop code wordt vervangen door een andere (totaal 3 substituties).
(eigen figuur gebaseerd op bestaande tabel).
Recent zijn onderzoekers er in geslaagd in de bacterie Escherichia coli de codering voor Serine terug te brengen van 6 naar 4. Er zijn dus 2 codes geëlimineerd. Ze hebben de 'universele' genetische code gewijzigd.

Maar omdat er duizenden eiwitten zijn met Serine komen de Serine codes ook duizenden keren voor in het DNA. De onderzoekers hebben dit toegepast op de bacterie Escherichia coli. Heb je het goed gedaan dan is de bacterie levensvatbaar en blijft het precies dezelfde eiwitten produceren als de ongemodificeerde bacterie. Het fenotype is hetzelfde.

Tevens hebben ze ook nog 1 stopcode van de 3 vervangen door een van de andere twee zodat er maar 2 stop codes overblijven (figuur 2). Een stopcode markeert het einde van het eiwit waarvoor het gen codeert. Ook hier is de functionaliteit hetzelfde gebleven. Als het goed is worden nog steeds dezelfde eiwitten geproduceerd.

Figuur 2. Drie codes zijn verdwenen (blanco): 1 stopcode en 2 Serine codes.
Blijft over: 61 codes: 59 voor 20 aminozuren en 2 stopcodes

Om dit te bereiken moesten de onderzoekers op 18.214  plaatsen in het genoom van de bacterie de codes vervangen. De totale lengte van het DNA van de bacterie E. coli is 4 miljoen basenparen. Ze hebben zodoende ongeveer 1% van het DNA veranderd. Dit lijkt niet veel maar dit is zelfs ondoenlijk met moderne  CRISPR-cas technieken. Hoe hebben ze dat opgelost? Gewoon de wijzigingen in de computer gedaan en daarna het hele genoom van 4 miljoen basenparen laten synthetiseren door een robot. De techniek is veel en veel gecompliceerder, en er kwamen ook interessante complicaties boven water, maar dat laat ik nu even zitten.

Vergelijk: Wat de onderzoekers gedaan hebben is te vergelijken met het vervangen van het woord 'boos' door het synoniem 'kwaad'; 'zoenen' door kussen'; en 'expositie' door 'tentoonstelling' in een boek. Er zijn 3 woorden geëlimineerd. Het boek wordt er niet korter door, maar je gebruikt minder verschillende woorden om hetzelfde te zeggen. Je hebt synoniemen geëlimineerd.

Het eindresultaat is een genetisch gemodificeerde bacterie met een synthetisch genoom van 61 codes: 59 voor aminozuren en 2 voor stop codes. En de bacterie blijft leven. Dat is het bewijs dat je codes kunt vervangen door synonieme. Het lijkt simpel maar is een grote technische prestatie.

In theorie zou je verder kunnen gaan door 4 overblijvende codes voor Serine te reduceren tot één. En het zelfde doen voor alle 20 aminozuren. Ieder aminozuur heeft dan één code. En de stop codes vervangen door 1 stop code. Zo houd je 21 codes in plaats van 64 codes over. Het absolute minimum. [2]

Waarom?
 
Dit zet je aan het denken over de vraag: waarom heeft evolutie dit niet gedaan? Waarom zoveel synoniemen? Gaat evolutie niet voor eenvoud? Na een nachtje slapen kreeg ik het idee dat organismes met ongebruikte codes (de witte vakjes in figuur 2) evolutionair instabiel zijn. Waarom?

Als je nog even naar de tabel figuur 1 kijkt dan zie je dat 4 Serine coderingen in hetzelfde blok alleen in de derde letter verschillen. De eerste en tweede letter zijn hetzelfde. Daarom staan ze natuurlijk in hetzelfde blok van 4. Als er nu een mutatie in de 3e letter optreedt, dan heeft dat geen effect. Het blijft Serine. Dat geeft een zekere evolutionaire robuustheid. 
Maar wat als er door een spontane puntmutatie een niet bestaande code ontstaat? (blanco vakje in de figuur). Je kunt die code wel verwijderd hebben uit het genoom, maar die kan spontaan terugkeren! Dan heb je een dode code die nergens voor codeert [3]. Die code hebben de onderzoekers immers verwijderd. Dat kan (en zal?) tot gevolg hebben dat de synthese van het eiwit afbreekt en er geen intact eiwit geproduceerd kan worden. Het zal hetzelfde effect hebben als een stopcode denk ik [6]. Dat is vervelend als het eiwit belangrijk is. En het hele verhaal wordt fataal als je de genetische code hebt gereduceerd tot het theoretisch minimum van 21 codes.

Op korte termijn in het laboratorium zal dat niet ernstig zijn. Het effect is te vergelijken met gewone spontane mutaties. Die heb je altijd. Maar op langere evolutionaire termijn zullen er vele eiwitten (met Serine) niet gesynthetiseerd kunnen worden. Dat kan schadelijk of zelfs fataal zijn voor het organisme.

Afgezien van deze zeer specifieke laboratorium omstandigheden, geldt in het algemeen: de genetische code is niet voor niets behoorlijk redundant. Organismen zijn daardoor beter bestand tegen puntmutaties vooral van de derde letter.
Figuur 3. Door 8 buren wordt er mutatiedruk uitgeoefend
 op de lege codes. (eigen figuur)
toegevoegd: 21 mei.
Als je in kaart brengt welke puntmutaties in de blanco codes (die verwijderd waren) terecht komen, dan kom je tot 8. De blanco codes hebben 8 buren. Dat is 8 van de 64 of 12,5%. Zie figuur 3. De mutaties zijn in dit geval van de 2e en 3e letter van de code. Blanco codes zijn niet veilig. Ze worden op termijn opgevuld. Niet op de originele plaatsen, want die verschillen in alle drie bases [5]. Dit is misschien wel de reden dat er nooit gaten in de genetische code zullen zitten. Laten we de volgende hypothese opstellen:
Heb je eenmaal een 3-letter genetische code, dan heb je automatisch 4x4x4 = 64 codes en alle 64 codes zullen opgevuld worden. Er komen geen gaten voor.

Dat zou wel eens een reden kunnen zijn waarom de genetisch code is zoals hij is. Als ik me niet vergis.


Update 22 mei: inleiding verbeterd en Engelse samenvatting toegevoegd. 
27 mei: Titel gewijzigd in: Waarom er geen gaten zitten in de genetische code.

 

Dankwoord

Met dank aan de vaste blogbezoeker Harry die mij wees op de publicatie.


Opdracht

Dit blog is opgedragen aan Mei Li Vos: wat is de genetische code toch mooi ontworpen!


Noten

  1. De woorden 'code', 'coderen' , 'vertaalsleutel', 'informatie', 'synoniem'  en dergelijke zijn hier figuurlijk gebruikt. Dat is gangbaar taalgebruik en dat volg ik voor het gemak. Maar er is niemand die letterlijk iets gecodeerd heeft. Daar heb ik eerder over geblogd (hier).
  2. In de praktijk kan niet ieder synoniem zonder nadelige gevolgen vervangen worden door een willekeurig ander. Dus die zijn niet 100% synoniem. Daar ga ik nu even niet op in.
  3. De onderzoekers hebben het betreffende tRNA verwijderd, of in ieder geval overbodig gemaakt. 
  4. Een arbitraire afspraak: wij hebben de huismus, de Engelsen noemen dat 'house sparrow' en de Duitsers 'Haussperling', terwijl onze spreeuw in Engeland 'starling' en in Duitsland 'Star' heet. Het Engelse 'star' is weer heel wat anders. Het zijn arbitraire afspraken om dingen aan te duiden. Het doet er niet toe welke codes je gebruikt, als iedereen het consistent gebruikt, werkt het. [ 22 mei ]
  5. De blanko codes worden niet opgevuld door mutatie op dezelfde plaats in het genoom omdat de onderzoekers maximaal verschillende Serine codes gebruikt hebben om ze te vervangen (zie pijlen in figuur 1). Ze ontstaan op plaatsen waar buren in de genetisch code tabel liggen. Het is enigzins verbazend dat er 3 stopcodons zijn omdat ze 5 buren hebben die door puntmutatie kunnen muteren naar een stopcodon: dat zijn 5 kansen dat een codon dat voor een aminozuur codeert in een stopcodon verandert. Waarom zou 1 stop code niet voldoende zijn? Dan hou je nog 2 codes over die nuttig gebruikt kunnen worden voor aminozuren zoals Tryptofaan die maar 1 code hebben. [ 23 mei 2019 ]
  6. Een punt mutatie die een code voor een aminozuur verandert in een stopcode heet: non-sense code. (wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Nonsense_mutation ). De vraag is of de kunstmatige situatie van blanco codes die de onderzoekers hebben gecreëerd vergelijkbaar is met een stopcode. Een stopcode wordt niet door een tRNA gelezen, maar door een Release factor (eiwit). Maar die zijn er natuurlijk niet voor de blanco codes die de onderzoekers hebben gecreëerd. Het effect zou kunnen zijn dat de synthese niet netjes wordt gestopt, maar het proces bevriest en dus een ribosoom bezet blijft. Dat zou wel eens erger kunnen zijn dan een normale stopcode! [ 29 mei 2019 ]

Bronnen

 

Vorige blogs over dit onderwerp


Plaatsen van commentaren:

Ik heb moderatie en woordverificatie voor comments op dit blog uitgezet. Desondanks moet U plaatjes beoordelen bij het inzenden van comments. Dat is niet om U te plagen! Ik kan dat niet uitzetten. Google dwingt dat af. Zie het als 'betaling' voor een gratis blog. Wordt U daar gek van, stuur het comment dan per email en dan plaats ik het.

13 May 2019

Mei Li Vos: kijk hoe mooi is dat!

laatste update: 26 augustus 2019
 
Mei Li Vos in Adieu God 28 april 2019
"Hoe een zaadje een plant wordt: dat is natuurlijk God. ... Sjonge, wat heb je dat toch mooi gemaakt". ... God moet er toch wel heel veel plezier gehad in hebben om zo'n kind te maken. Om dat zo te ontwerpen." 6:25 - 7:40. Adieu God 28 april 2019.
Blauwe winde (Ipomoea). Is het geen wonder: zo'n
grote bloem op zo'n klein plantje uit 1 zaadje
in zo'n klein potje grond? ©Susan
Politica en politicologe Mei Li Vos bewondert het kiemplantje dat groeit uit een minuscuul zaadje. Zij doet dat op een religieuze, christelijke manier en gebruikt daarbij het woord God. Wat heeft God dat toch mooi gemaakt. Hetzelfde geldt voor een baby. Wat heeft God dat toch mooi gemaakt.

Ook de ontwikkeling van eicel tot baby wordt door DNA gestuurd.
Fouten in hetzelfde DNA veroorzaken tumoren

Voor een bioloog zijn dat geen wonderen. De wetenschappelijke verklaring is –kort samengevat– DNA. Biologen weten dat de groei van het kiemplantje gestuurd wordt door een ontwikkelingsprogramma dat vastligt in het DNA in het zaad. Verder is er niets nodig. Gewoon een beetje aarde en water toevoegen.

Ik heb er géén bezwaar tegen om DNA een wonderlijk mooi molecuul te noemen. Ik heb er vele malen over geblogd. DNA is een verbazingwekkende en zeer geslaagde vondst om het leven op aarde op dit molecuul te baseren. Maar dat is allemaal metaforisch taalgebruik. Als je een kiemplantje of baby onderzoekt vindt je niets dan moleculen. Er is nooit hogere macht gevonden die sturend werkt.

Mei Li Vos verwoordt haar bewondering in religieuze termen. Dat gaat fout op twee fronten: 
  1. het wetenschappelijke aspect: de oorzaken van het ontwikkelingsproces zijn biochemisch en niet bovennatuurlijk
  2. het morele aspect: ongewild bewonder je een immorele God

brandnetelhaartjes (bron)
Mei Li Vos kan er niet aan ontkomen om het kiemplantje van een brandnetel even bewonderenswaardig te vinden. Als ze consequent is moet ze 'het ontwerp' van de brandnetel die een cocktail van acetylcholine, histamine, serotonine en mierenzuur in je huid spuit ook bewonderen. Wat heeft God dat toch mooi gemaakt!
Maar er is een plant die volgens hetzelfde principe werkt maar vele malen giftiger en pijnlijker is:

De Gympie Gympie plant (Dendrocnide moroides)
By Cgoodwin - Own work, CC BY 3.0

De brandharen bevatten het gif moroïdine dat na contact met de huid zeer ernstige jeuk en ernstige brandende pijn doet ontstaan.
Zo erg zelfs, dat sommige mensen hierdoor zelfmoord hebben gepleegd (NOS). Wat heeft God dat toch mooi gemaakt! Heeft U er nog niet genoeg van? Hier is een lijst met de 10 giftigste planten die God heeft geschapen.

Kwallen kunnen er ook wat van:
Avispa marina cropped.png
box jellyfish (kubuskwal) ©wikipedia
Wat zit er toch een hoop gif in de natuur!
De kubuskwal (box jellyfish) is een van de dodelijkste dieren op aarde. Contact met een kubuskwal kan tot de dood leiden binnen 2 - 5 minuten. Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!

©Jenny (JennyHuang) from Taipei - Flickr, CC BY 2.0
Valentinni's sharpnose puffer
puffervissen bevatten tetrodotoxin



Wat heeft God de buxusmot toch mooi ontworpen! (eigen foto)

Ook de buxusrups is prachtig om te zien!
©Didier Descouens, wikipedia


Black mamba is een van de dodelijkste slangen ter wereld. ©wikipedia
Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!
zie verder: List of dangerous snakes

door muggen verspreide infectieziekten, NOS 12 juni 2019
chikungunya, knokkelkoorts (dengue), zandmuggenziekte (leishmaniasis), hersenvliesontsteking
Wat heeft God die muggen toch mooi gemaakt!
teek: overbrenger van de Lymeziekte (©wikipedia)
Wat heeft God dat toch mooi gemaakt!
zo'n klein beestje dat zoveel ellende kan veroorzaken!

En zo zijn er nog veel meer bewonderenswaardige dodelijke dieren in de natuur. Je kunt lijstjes vinden op het internet zoals Top 10 Deadliest Animals. Wat heeft God dat toch mooi ontworpen! [2]

©Gert Korthof
Wat heeft God de vliegenzwam toch mooi ontworpen!
Mushroom poisoning
List of deadly fungus species
Paddestoelen staan bekend om hun rijkdom aan giftige stoffen. De vliegenzwam (zie foto) bevat giftige stoffen zoals muscimol en ibotenic acid. Een aantal paddestoelen bevatten complexe chemische verbindigen zoals Alpha-amanitin of Orellanine die dodelijk zijn binnen 3 dagen tot 3 weken. Veel giftige paddestoelen lijken op eetbare paddestoelen!

Cactus uit Peru bevat mescaline (hallucinerende stof)
Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!
Wir danken dir, Gott, wir danken dir!
En zo zijn er nog honderden plantensoorten die psycho-actieve (hallucinerende) stoffen bevatten: List of psychoactive plants. Wat heeft God dat toch mooi ontworpen.

poliovirus ©wikipedia
Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!
En God zag dat het goed was!

©www.turbosquid.com
Plasmodium falciparum: veroorzaker van malaria.
En God zag dat het goed was!

Wat heeft God de cholera bacterie toch mooi gemaakt!
Een wonder van nanotechnologie: zoveel venijn in zo'n kleine bacterie!
©wikipedia
De Cholera bacterie maakt 3–5 miljoen mensen ziek en doodt 58.000 – 130.000 mensen per jaar.

Mycobacterium tuberculosis (© wikimedia commons, Kennislink)
Wat heeft God de tuberculose bacterie toch mooi gemaakt! Een topper!

De tuberculose bacterie weet zich slim te verstoppen in ons immuunsysteem. Met 1,5 miljoen slachtoffers per jaar is tuberculose al jaren een van de top tien doodsoorzaken wereldwijd! Echt een topper!


Als DNA perfect is, waarom dan dood, erfelijke ziekte, kanker?
©wikipedia

Het zal de lezer niet veel moeite kosten om informatie over aangeboren en erfelijke aandoeningen te vinden. Bijvoorbeeld: erfelijkheid.nl en informatie van diverse patiëntenverenigingen. Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!

Mei Li Vos vergeet dat vele baby's nooit levend geboren worden en voortijdig eindigen in spontane abortussen (miscarriage). Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!

Het morele aspect: ook de grootste moordenaar aller tijden is geboren als een schattige, onschuldige baby. Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!

De bewondering van Mei Li Vos valt wat mij betreft in de categorie:
'Kijk een regenboog! Dat is God! Wat heeft God dat toch mooi ontworpen!
Dat is niet meer van deze tijd. Bliksem en donder! God is boos!

Het kan zijn dat Mei Li Vos weet dat biologen kiemplantjes en baby's tegenwoordig met DNA en evolutie verklaren [1]. Goed. Ze selectief verwonderd. Alleen onschuldige baby's en kiemplantjes toeschrijven aan God.

Als ze wel consequent en eerlijk is en het ontwerp van giftige planten en dieren (etc) toeschrijft aan God, en aangeboren en erfelijke ziektes toeschrijft aan God, dan kun je die God geen moreel wezen meer noemen. Verklaar je deze zaken met DNA, dan heb je géén moreel oordeel uitgesproken. Dat is het grote voordeel van een wetenschappelijke verklaring.

Ik kan Mei Li Vos aanbevelen om de geschiedenis van de biologie te lezen. Eén van de meest indrukwekkende en geslaagde boeken, die ook goed leesbaar is voor niet-biologen, is:

Edward Dolnick (2017)

Edward Dolnick (2017): 'The Seeds of Life: From Aristotle to da Vinci, from Sharks' Teeth to Frogs' Pants, the Long and Strange Quest to Discover Where Babies Come From'. Ik heb er eerder over geblogd.
 

Ik leerde uit dit boek hoe weinig ze vroeger wisten, hoeveel misverstanden en vooroordelen vroeger een rol speelden, en hoe veel we de afgelopen eeuwen te weten zijn gekomen over hoe het leven in elkaar zit. Die kennistoename vind ik veel bewonderenswaardiger dan de naïeve uitroep: Wat heeft God dat toch allemaal mooi gemaakt.

Postscript

16 mei 2019

In een bespreking van het boek van Philip Ball (2019) How to Grow a Human: Adventures in Who We Are and How We Are Made  kwam ik deze uitspraak tegen: 'This awe evokes some much-needed humility'. 
Dit was naar aanleiding van de verrassende complexiteit van het inwendige van de cel. Met als gevolg enige bescheidenheid van de wetenschap over wat we weten en begrijpen. Het is dus niet zo dat wetenschappers per definitie arrogant zouden zijn en menen dat ze alles weten of begrijpen. Er is en blijft voldoende in wetenschappelijk onderzoek om je over te verwonderen. Maar het voegt totaal niets toe om dat wonderlijke met het woord 'god' te beschrijven. (Bespreking in Nature 13 mei 2019.)
Tenslotte: als de wetenschap niet heel diep in de details van de werking van de cel duikt, zul je nooit een therapie vinden voor welke ziekte dan ook. Heel cru gezegd: met God kun je geen ziekte genezen, met sommige medicijnen wel.




Updates: regelmatig worden er mooie plaatjes toegevoegd. Tips zijn welkom!


Noten

  1. Als ze wel van DNA gehoord heeft is het waarschijnlijk onbegrijpelijk ingewikkeld. Vervolgens ziet ze dat aan voor onbegrijpelijk in het algemeen. Ze kan als leek niet inschatten hoeveel biologen begrijpen van ontwikkelingsprocessen. Samengevoegd met Gods Alwetendheid en Wijsheid is het voor haar een wonder. Ze zegt dus eigenlijk: ik begrijp het niet en niemand kan het begrijpen, want wat God gemaakt heeft is nooit door mensen te bevatten. [ woensdag 15 mei ]
  2. In het nieuws: "Mensen die rauw vlees eten, kunnen de Toxoplasma-parasiet binnenkrijgen en de infectieziekte toxoplasmose krijgen. ... kankerpatiënten en zwangere vrouwen lopen meer risico. De infectieziekte kan leiden tot miskramen, vroeggeboorten en hersen- en oogafwijkingen bij het kind." (NOS 15 mei 2019). Wat heeft God dat toch mooi gemaakt die Toxoplasma parasiet! [ woensdag 15 mei ]


Bronnen

06 May 2019

Het ontstaan van het leven: een theoretische en een praktische benadering

In de laatste Nature verscheen een bespreking van het nieuwste boek van Stuart Kauffman A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life  over het ontstaan van het leven, en een onderzoek naar de chemie voorafgaand aan het ontstaan van het leven. Elders vond ik een nieuwe benadering om het leven te definiëren.

Stuart Kauffman is een theoretisch bioloog zoals er maar weinigen zijn. Hij is een bioloog, maar benadert het leven als een fysicus en wiskundige. De fysische benadering houdt in dat het leven bestaat uit dode atomen en moleculen, maar méér is dan atomen en moleculen. Tegelijk is het leven gebonden aan natuurkundige wetten. Want niets kan tegen die natuurwetten ingaan. 
De wiskundige benadering bekijkt het leven als een oneindig kleine deelverzameling van de oneindige grote hoeveelheid mogelijke configuraties van moleculen. Kauffman zet het verschijnsel leven in een groter perspectief dan biologen doorgaans doen. Ik weet niet hoeveel nieuws er in dit boek staat, want ik heb het nog niet gelezen. Zijn eerste boek over dit onderwerp verscheen in 1995.

De praktische, chemische benadering vinden we samengevat in het Nature News and Views artikel 'A possible non-biological reaction framework for metabolic processes on early Earth' in Nature, 1 mei. De onderzoekers gaan uit van de meest fundamentele moleculen die het leven gebruikt en stellen de vraag: hoe ver kom je met puur chemische reacties waarvoor géén enzymen (biologische katalysoren) en géén ATP (energiedrager die alleen in cellen voorkomt) nodig zijn? Met andere woorden: prebiotic chemistry. Het verschil tussen chemische en bio-chemische reacties. Dus ongeveer de vraag die Kauffman zich ook stelt, maar dan met behulp van experimentele chemie in de reageerbuis.

Dit is heel sterk: ze starten met het absoluut minimum aantal van drie atomen: C, H, O en daaruit ontstaan spontaan 5 belangrijke koolstof verbindingen (C). Twee daarvan ontstaan zonder ATP en de andere ontstaan met behulp van ijzer (Fe2+) als katalysator. Op deze manier kunnen ze alle reactieproducten produceren die in de biochemie bekend staan als de Krebs cyclus en de glyoxylate cyclus. Twee essentiële reactienetwerken die in al het leven voorkomen. Later voegen ze nog een abiotische stikstofverbinding (N) toe en zo ontstaan er 4 aminozuren. Als je dan nog abiotische verbindingen van S en P toevoegt krijg je een voorloper van een fundamenteel biochemische energie metabolisme.

Deze benadering is typisch een bottom-up methode. Het experiment lijkt eigenlijk zo elementair dat het net zo goed 10 of 20 of 30 jaar geleden uitgevoerd had kunnen worden zou je denken. Misschien ligt 'het geheim' van dit experiment in de omstandigheden waarin de reacties plaatsvinden, o.a. een temperatuur van 70 graden en ijzerhoudend water ('hydrothermal environment'). Technisch lijkt mij dat niet echt moeilijk te realiseren.

Tenslotte nog kort een interessant artikel over de definitie van het leven. Het is uit 2011, maar ik kende het nog niet. Tot nu toe waren de definities gericht op het classificeren van leven en niet-leven in twee elkaar uitsluitende categorieën. Iets is levend of niet. Er bestaat niets daartussen. Maar de auteurs van het artikel Prebiotic chemistry: A fuzzy field daarentegen hebben een 'scale of livingness' (mate van 'levendheid') voorgesteld. Dus de mate waarin iets levend is. Zeer interessante en nieuwe aanpak geïnspireerd door fuzzy logic. Dit is een winstpunt omdat je hierdoor geen geforceerde 'onnatuurlijke' classificatie meer krijgt. De Life index = 1 voor bacteriën, planten en dieren (niet verrassend!); Life index = 0 voor rotsen, water, abiotische verbindingen, etc. (niet verrassend!) en de Life index van ribosomen, genomen, membranen, chloroplasten en mitochondria ligt tussen 0 en 1. 

Mitochondriën zijn interessant omdat (1) ze zelfstandig replicerende eenheden zijn, (2) een membraan hebben (3) DNA bevatten, (4) ribosomen, eiwitsynthese, etc. Dit maakt ze tot intracellulaire parasitair levende eenheden. Vergelijkbaar met andere parasieten die in het lichaam van een organisme leven. De Life Index zou hoog moeten zijn, misschien zelfs 1.  [1]

Het wordt pas interessant in het grijze grensgebied tussen leven en niet-leven. De winst ligt vooral in de classificatie van pre-biotische systemen. Denk ook aan Artificial Life. Overigens bestaat het gevaar dat je met Life index = 1 een 'begging the question' probleem krijgt: je hebt nog steeds criteria nodig om te bepalen waarom de Life index = 1 voor planten en dieren. Dit is de eerste conceptuele verbetering van de aanpak van de door mij zeer bewonderde en onovertroffen definitie van het leven van Tibor Ganti. Hij geeft gedetailleerde en universele criteria voor leven, maar bij hem was alles te classificeren in leven of niet-leven.


Noten

  1. deze paragraaf toegevoegd op dinsdag 7 mei.

Bronnen

  • Het nieuwe boek van Kauffman is besproken in Nature 1 mei: 'The new physics needed to probe the origins of life'. De inleiding is gratis te lezen op amazon (Look Inside).
  • In 1995 verscheen Kauffman's boek At Home in the Universe. The Search for Laws of Self-Organization and Complexity. Dat heb ik besproken op mijn WDW website in 1998.
  • A possible non-biological reaction framework for metabolic processes on early Earth is het gratis redactionele artikel over het onderzoek.
  • Het originele research artikel is: 'Synthesis and breakdown of universal metabolic precursors promoted by iron' in Nature.
  • De 5 C-verbindingen zijn: acetate, pyruvate, oxaloacetate, succinate and α-ketoglutarate.
  • De publicatie over een nieuwe definitie van het leven is: Prebiotic chemistry: A fuzzy field, April 2011.  Zie de paragraaf: 4. On the conventional scale of “livingness.” 
  • Zie mijn review van Tibor Ganti op mijn WDW website. Ik moet die pagina nog aanvullen met dit nieuwe concept. En er nog eens goed over na denken hoe ik dit ga integreren!
  • "In fuzzy logic, an object A can be member of various fuzzy classes with, for each class, an index, which defines its level of membership. In the cases of the fuzzy classes “living” and “non living”, an object A will be characterized by a life index (li) equal to 1 if A is only in the class “living” and by a li of 0 if it only belongs the class “non living”. In all other situations, the li of A will be a number between 0 and 1."

 

Vorige blogs over dit onderwerp:

 

Plaatsen van commentaren:

Ik heb moderatie en woordverificatie voor comments op dit blog uitgezet. Desondanks moet U plaatjes beoordelen bij het inzenden van comments. Dat is niet om U te plagen! Ik kan dat niet uitzetten. Google dwingt dat af. Zie het als 'betaling' voor een gratis blog. Wordt U daar gek van, stuur het comment dan per email en dan plaats ik het.