Het ontstaan van het leven en de zin van het leven

In mijn vorige blog rapporteerde ik over het spannende onderzoek van Nobelprijswinnaar Jack Szostak. Hij was er voor het eerst in geslaagd een werkende primitieve cel 'te maken' met daarin RNA moleculen die zichzelf kunnen kopiëren. Dat laatste, RNA moleculen die zichzelf kopiëren binnen een cel, was nieuw. Op zich was het al eerder gelukt om RNA zichzelf te laten kopiëren zonder hulp van enzymen in een reageerbuis, en was het gelukt om uit vetzuren een cel te laten maken, maar de combinatie van die twee (RNA dat zichzelf kopieert binnen een cel) was nog niet gelukt. Nu dus wel.

Ik beschreef 'het voordeel' dat RNA had om in een cel te zitten, maar merkte dat Szostak niet vermeldde wat 'het voordeel' van een primitieve cel was om zelfkopierend RNA mee te dragen ('voordeel' in overdrachtelijke zin). Een paar dagen later ontdekte ik een publicatie van Szostak uit 2012 [1] waarin hij beschrijft dat RNA de aanmaak van componenten van de membraan kan katalyseren. Kijk! Dat is interessant! Szostak had ook over 'het probleem' nagedacht, maar had het niet in zijn Science publicatie beschreven.

Dus, wat is het resultaat? We hebben nu 'een systeem' met 2 hoofdcomponenten: 1) een simpel membraan en 2) een zichzelf kopiërend RNA molecuul. Plus uiteraard een aantal 'hulpstoffen' (magnesium, citraat, ...). Het mooie van dit systeem is dat de twee hoofdcomponenten elkaar positief beïnvloeden [2]. Een symbiose: beide partijen 'profiteren' van de samenwerking. Dus, als dit soort systemen ontstaan, dan is de kans kleiner dat ze het volgende moment weer uit elkaar vallen. Immers, ze bevorderen elkaars synthese. Ze houden elkaar in stand. Zo'n systeem is niet onverwoestbaar, maar is stabieler dan een systeem waarbij de componenten elkaar niet in standhouden en als los zand aan elkaar hangen. De gemiddelde levensduur van zo'n symbiotische combinatie zal groter zijn.

Nog anders gezegd: als er een onderdeel van een systeem is dat niet bijdraagt aan het voortbestaan van het geheel, dan kan het gemist worden. En als die component door toeval zou verdwijnen, zou het systeem gewoon blijven voortbestaan. Het is tenslotte een niet essentiële component. Zo blijven er hoofdzakelijk systemen over die alleen noodzakelijke componenten bevatten.

Dat is al een belangrijk inzicht, maar er komt nog iets bij. Beide hoofdcomponenten kunnen zichzelf kopiëren. Het RNA kopieert zichzelf, het produceert een replica van zichzelf en de primitieve cel kan door insnoering zichzelf opsplitsen in 2 delen. De cel heeft gedeeld. 

Szostak proto-cel die spontaan aan het delen is.
langgerekte vormen in de cel zijn RNA moleculen
(capture uit animatie) ©Exploring Life's Origin

Wat is het 'nut' hiervan? (nut: metaforisch gesproken). Dit: mocht één van de twee cellen (met inhoud) beschadigd raken en uitéénvallen, dan heb je de ander nog. Hetzelfde geldt voor RNA: mocht één RNA molecuul uiteenvallen dat heb je de kopie nog. Daarmee kan het proces zich herhalen. Daarmee is het niet 'einde verhaal'. Daarmee is het eerste leven niet onmiddellijk uitgestorven. Dit alles is conceptueel veel belangrijker dan technische details over Mg2+ en citraat.

Tibor Ganti:
The Principles of Life

Dit conceptueel inzicht had ik niet van mezelf. Ik had het gevonden bij Tibor Gánti: The Principles of Life, dat ik 10 jaar geleden gelezen heb en waarvan ik zeer onder de indruk was (en nog steeds ben). Gánti definieerde 'leven' als een 3 componenten systeem: 1) een chemische subsysteem dat voor energie zorgt (metabolisme), 2) een chemisch informatiedragend subsysteem (erfelijkheidsmolecuul) en 3) een chemische membraan subsysteem. Twee subsystemen zijn makkelijk te herkennen in het Szostak systeem: de membraan en RNA als informatiedrager. Gánti had al beschreven dat de subsystemen elkaar 'in leven moesten houden'. Dat is prachtig herkenbaar in de overwegingen die Szostak had bij het ontwerpen van zijn protocel. Ik weet niet of Szostak Gánti gelezen heeft, maar het kan haast niet anders. Of hij was slim genoeg om het onafhankelijk te bedenken.

Nu was ik indertijd tegen een probleempje aangelopen bij het Gánti model van het leven: de eerste informatiedrager en erfelijkheidsmolecuul kán niet DNA zijn geweest. Gánti wist dat, want hij had DNA niet gespecificeerd als informatiedrager. Dat kon hij ook moeilijk doen want zijn systeem was enzym-vrij, en voor de synthese van enzymen heb je DNA nodig. Het kan dan ook niet anders dan dat het vroegste informatiesysteem RNA geweest moet zijn. Een andere informatie drager kennen we niet. Inderdaad, Gánti bleek in latere edities van zijn boek een RNA-world in gedachten te hebben.

Ik heb de verbeterde versie van dit vervolg blog over Szostak (exclusief het stukje over Gánti) aangeboden aan Pandas Thumb (zeer bekend en gezaghebbend blog ter bestrijding van creationisme in de USA). Het is geaccepteerd en zal vandaag of morgen verschijnen. [inmiddels is het verschenen: hier ] Daar ben ik blij mee. Ik had me verbaasd over het feit dat de bloggers van Pandas Thumb het hele Szostak artikel over het hoofd hadden gezien. Dat wordt nu rechtgezet. Ben benieuwd naar de reacties.

Filosofisch naschrift:

Wat is de zin van het leven?

Een bioloog mag die vraag niet stellen. Maar een filosoof wel. Als we bij het begin beginnen: het begin van het leven is een simpele vetzuur-membraan met daarin relatief kort, zelf-replicerend RNA. Wat is de zin daarvan? zou een hypothetische toeschouwer in die tijd gevraagd kunnen hebben. Het zijn systemen die stabieler zijn dan andere en daardoor blijven bestaan. En nakomelingen achterlaten. Maar waarom zou 'je' dat willen? Die primitieve systemen willen helemaal niets. Het leven is begonnen met moleculen en cellen die helemaal niets konden willen. Het lijkt alsof ze willen voortbestaan en zich willen voortplanten. Wij zijn uiteindelijk het gevolg daarvan. Wij stellen de vraag naar de zin van het leven. Een onbeantwoordbare vraag, wat mij betreft. Ik vind de vraag naar waar we vandaan komen vele malen fascinerender. Voldoende fascinerend voor een heel mensenleven. Je moet er toch niet aan denken dat je een heel leven geleefd hebt zonder die vraag te stellen? Dat zou pas een zinloos leven zijn!

Bronnen

1. Jack W Szostak (2012) The eightfold path to non-enzymatic RNA replication, Journal of Systems Chemistry 2012, 3:2 (Open Access)    
2. Dit wordt ook wel Collectively Autocatalytic Systems genoemd (in which the members catalyze each other’s formation) bekend geworden door het theoretische werk van Stuart Kauffman.

Postscript

14 dec 2013
Een Engelse versie van dit blog is verschenen op Panda's Thumb,  onder de titel New Szostak protocell is closest approximation to origin of life and Darwinian evolution so far ( 13 Dec 2013)