Basale stofwisseling in ‘levende’ moleculen

Afgelopen vrijdag was het zover – ongeveer een jaar nadat ik met dit verhaal was begonnen, stond het persbericht eindelijk online: chemici van de RUG die werken aan een vorm van kunstmatig leven dat zich ontwikkelt via chemische evolutie, hebben een basale stofwisseling ontdekt. Hieronder volgt de korte samenvatting van het bericht.

Tien jaar geleden ontdekte Sijbren Otto, hoogleraar scheikunde aan de RUG, moleculen die zichzelf spontaan tot ringetjes vormen die zich opstapelen. Deze groeiende stapels kunnen zich delen door te breken, waarna beide delen weer gaan groeien. Het systeem lijkt op een primitieve vorm van leven.

Otto en zijn team hebben nu ontdekt dat de stapeltjes zich gedragen als een katalysator, ze versnellen de vorming van nieuwe ringetjes uit simpele bouwstenen. Wanneer ze een lichtgevoelige kleurstof toevoegen die zich bindt aan de stapels, kan deze energie uit licht gebruiken om reactieve zuurstof te maken, wat ook de vorming van nieuwe ringetjes versnelt.

Bouwstenen (rechtsboven) vormen ringetjes die zicht gaan stapelen. De stapeltjes katalyseren de vorming van ringetjes. Illustratie Otto-lab

Beide reacties zijn een primitief soort stofwisseling. Dit betekent dat de stapeltjes niet alleen groeien en zich vermenigvuldigen door te delen, maar dat ze ook de aanmaak van hun eigen bouwstenen stimuleren. Hierdoor beginnen ze te lijken op een door mensen ontwikkelde vorm van ‘kunstmatig leven’.

Deze twee ontwikkelingen zijn vrijdag 26 juni gepubliceerd in Nature Chemistry en Nature Catalysis. En er is een video!
Aanvulling: er verscheen 1 juli een review artikel uit de groep van Otto: From self-replication to replicator systems en route to de novo life

Please follow and like:

21 gedachten over “Basale stofwisseling in ‘levende’ moleculen”

  1. Gefeliciteerd met dit mooie en belangrijk blog en RUG persbericht en die twee publicaties in twee toptijdschriften! Groningen (en Nederland) staan weer op de wereldkaart!
    Hoe het systeem chemisch werkt snap ik nog niet helemaal, maar die groeiende kolommen doen mij erg denken aan … DNA, vooral ook omdat het repliceert…
    Ten onrechte waarschijnlijk?
    Hun definitie van leven: 1. replicatie, 2. stofwisseling 3. compartimentalisatie.
    wat er ontbreekt is een ‘informatiesysteem.’ (in het huidige leven DNA, RNA). Als ik het goed begrijp bestaat hun ronde buis uit identieke basiselementen. Daarin kun je geen informatie opslaan. Daarvoor heb je verschillende bouwstenen nodig. Is dat mogelijk in hun systeem? Heb je daar naar gevraagd?
    Wat ik ook nog niet zo goed zie is de integratie van de drie deelsystemen: ieder deelsysteem moet de andere twee deelsystemen in standhouden en bevorderen. Ik weet niet hoe dat in hun systeem werkt. Jij?
    Weet je hoe gevoelig hun systeem is voor ‘verontreiniging’ met andere stoffen? In het Origin of Life milieu zijn er nooit zuivere chemische oplossingen, altijd heb je te maken met andere stoffen die invloed kunnen hebben op het systeem.

    Het doet me deugt om Ganti, T. in The Principles of Life in de literatuur te zien staan! Hij is werkelijk enorm belangrijk geweest in het formuleren van de definitie van leven. Er ontbreekt een belangrijke auteur: Stuart Kauffman! Als er een auteur is die auto-catalysis op de kaart heeft gezet dan is hij het wel.

  2. @Gert, dit systeem is zeer basaal – informatiedragers zijn vermoedelijk latere verbeteringen. Dit systeem is zijn eigen informatiedrager. Er zijn wel mutaties mogelijk, bleek uit eerder onderzoek.
    Otto probeert niet te onderzoeken hoe leven op aarde is ontstaan, maar kijkt hoe chemische reacties spontaan tot grotere complexiteit kunnen leiden, en uiteindelijk tot een vorm van Darwiniaanse evolutie.
    Wat bedoel je met de drie ‘deelsystemen’? In het systeem van Otto worden bouwstenen (op peptiden gebaseerde moleculen) bij elkaar gebracht die spontaan ringetjes vormen. Er zijn ook experimenten geweest waarin de ‘dood’ is ingebracht (afbraak stapels). De vorming van stapels trekt de reacties uit evenwicht – dat is de basis van het systeem, uit-evenwicht-chemie.

  3. Wat bedoel je met die laatste 2 zinnen, René? Dat ondanks het inbrengen van de dood (afbraak) de stapels toch doorgaan, m.a.w. dat de vorming het hier wint van de afbraak?

  4. Als de stapels blijven groeien, zijn op een gegeven moment de bouwstenen op. Door afbraak te stimuleren maak je weer bouwstenen vrij en voorkom je dat het systeem in evenwicht komt. Ik had die laatste twee zinnen beter kunnen omkeren:

    De vorming van stapels trekt de reacties uit evenwicht – dat is de basis van het systeem, uit-evenwicht-chemie. Er zijn ook experimenten geweest waarin de ‘dood’ is ingebracht (afbraak stapels).

  5. In de wereld van chemische stofjes is veel mogelijk. En wellicht zelfs het ontstaan van actieve samenhangende complexen van biochemische stofjes die (complexen) in de wandeling leven heten.

  6. Rene, ik bedoel met deelsystemen: 1. replicatie, 2. stofwisseling 3. compartimentalisatie.

    stofwisseling: is de gehele reacite ‘energieneutraal’? er hoeft geen energie (ATP) aan toegevoegd worden?

    Trouwens een interessante opmerking: de bouwstenen raken op omdat er steeds langere buisjes worden gemaakt. Het is dus niet zo dat er in hun systeem evenveel bouwstenen toegevoegd worden aan de cilinder dan er loslaten? Ze laten niet vanzelf los?

    In je Kennislink artikel schrijf je: “De ringetjes bestonden dus merendeels uit A, met hier en daar een B.”
    Werden die ook exact gekopieerd? Of is het alleen breken en aangroeien? In dat geval werd er dus geen kopie gemaakt van een ringstapeltje met de exacte volgordes A en B? Dus waar B terecht kwam werd door het toeval bepaald? en werd niet exact gekopieerd? Ik zie ook niet hoe de volgorde AABABAABBAAA zou kunnen kopieren? Er is hier wel een soort informatie, maar die wordt niet gekopieerd?

    Rene, het geheel doet me eigenlijk meer denken aan microtubuli die op dezelfde manier werken: aangroei en afbraak.?

    Nogmaals: hartelijk dank!

  7. Stofwisseling: het is zelforganisatie, dus energetisch downhill. Alleen de lichtgevoelige katalyse verbruikt energie.

    Het hele idee achter dit systeem is dat het uit-evenwicht chemie is. Leven is namelijk een uit-evenwicht systeem. Als je helemaal in evenwicht bent, ben je dood. Ik weet niet precies hoe het gaat met afbraak van de buisjes, het zijn sowieso reacties die twee kanten op kunnen, al wijst de grootste pijl naar het stapelen van buisjes.

    Die ‘mutatiestudie’ is van lang geleden, dat heb ik niet echt meer in mijn hoofd zitten. Maar er wordt niets gekopieerd, alleen ingebouwd in ringen/stapeltjes.

    En microtubuli ontstaan natuurlijk in een compleet gereguleerd systeem, dat is een groot verschil met het systeem van het Otto lab

  8. Prachtig onderzoek! En een uitstekende video – 4 tot 5 minuten is precies goed.

  9. Video is gemaakt door Sensu een Europees werkend NL bedrijf gespecialiseerd in wetenschapsvideo’s dat ik van harte kan aanbevelen. Al heeft de sterrenkunde zelf een formidabele expertise in visuele communicatie.

  10. Rene, ik denk dat dit soort chemische systemen juist belangrijk zijn om ons de verschillen tussen levende systemen en chemische systemen te leren. En zodoende meer van het leven te begrijpen. Het is niet erg dat die systemen niet echt levend zijn. We hebben immers zat levende systemen. De ‘half-levende’ of bijna-levende systemen zijn juist interessant omdat die nog niet bestonden. Ook van dat artikel uit 2016 van René Fransen is leerzaam in dat opzicht (aanbevolen!) omdat het laat zien dat er mutatie is, maar geen replicatie van die mutaties zodat je het verschil leert met echte zelf-replicerende informatiesystemen.
    Dat het nieuwe systeem ‘energetisch downhill’ gaat, is interessant omdat het duidelijk maakt dat waarom een cel energie input nodig heeft en interessant omdat het laat zien waarom er input van nieuwe bouwstenen nodig is (=voedsel opname) .
    Als die buisjes eindigen in een stabiele toestand waarin niets meer gebeurd, =evenwicht, dan is dat juist leerzaam omdat je dan kan onderzoeken welke chemische milieu omstandigheden (pH?) aanleiding kunnen geven voor het loslaten van bouwstenen uit het buisje. En ons leert waarom een levend systeem in elkaar zit zoals het in elkaar zit.

    Openstaande vraag: Hoe zit het met ‘verontreinigende’ stoffen in het reactievat? Moet het puur, zuiver zijn, of mogen er andere stoffen in zitten zoals je die op de primitieve aarde voorkomen? IJzer? methaan? Is het systeem bestand tegen UV licht!?
    Alvast hartelijk dank!

  11. @Gert, dit systeem is niet bedoeld om de situatie op de jonge aarde na te bootsen. Het is fundamenteel onderzoek naar de overgang van levenloos naar levend, dus het is wel degelijk de ambitie (als in: stip aan de horizon) van de groep om die overgang te zien gebeuren.

  12. Wie weet, een aantal jaar geleden dacht Otto dat het een jaar of twintig zou duren… Maar goed, kernfusie wordt al 50 jaar aangekondigd als iets wat over 20 jaar gaat werken. We wachten rustig af en ondertussen komt er een boel interessante wetenschap uit.

  13. René: “Maar goed, kernfusie wordt al 50 jaar aangekondigd als iets wat over 20 jaar gaat werken.”

    Het werkt al meer dan vier miljard jaar, hoor – het bewijs is vandaag goed te zien als je omhoog kijkt 🙂

  14. @René, op dit moment voel ik me niet zo levend (flink verkouden en zo), dus kijk ik liever even niet in de spiegel (behalve tijdens het scheren) 🙂

  15. @Eelco, je wilt niet weten hoeveel leven er komt kijken bij een verkoudheid!

    @Leon, nee, dit is puur gericht op fundamentele vragen. En passant komt er wellicht wel nuttige bijvangst, bijvoorbeeld rond zelforganisatie of katalyse, maar dat is niet het doel. Het BaSyC project (dat van bestaande componenten een synthetische cel wil bouwen) is meer gericht op toepassingen, bijvoorbeeld ontwerp van cell-factories.

  16. @Leon,

    Het bestaande leven heeft een opgebouwde robuustheid van een paar miljard jaren evolutie achter de rug. Daartegen concurreren om resources is ongetwijfeld kansloos. Alsof je een couveusebaby in de ring zet tegen een profboxer.
    Het is een beetje vergelijkbaar met de vraag of abiogenese meer dan eens heeft plaatsgevonden. Aanwijzigingen daarvoor zijn er niet voor zover ik weet. Wie weet zijn er ‘pogingen’ geweest. Dat zal wel niet meer te achterhalen zijn.

    Maar het is wel hele boeiende materie!

Reacties zijn gesloten.