‘Kleine druppeltjes in de oersoep vormden de bouwstenen van het leven’

Hoe het leven evolueert is in grote lijnen bekend, sinds Darwins boek over de herkomst van soorten. Door selectie van genetisch gevarieerde individuen kunnen soorten zich over meerdere generaties naar hun omgeving aanpassen. Maar hoewel we sinds Darwin weten dat leven uit eerder leven voortkomt, maakte zijn theorie ook duidelijk dat we nog niet weten waar het leven zelf vandaan komt, vertelt Iris Smokers (28). „Ooit moet er voor het eerst leven ontstaan zijn uit levenloze moleculen – maar hoe is dat eigenlijk gebeurd?”

Het is deze vraag die Smokers al sinds haar bachelor­stage fascineert, en haar dreef om aan de Radboud Universiteit onderzoek te doen naar zogeheten coacervaten. Dit zijn opeenhopingen van organische moleculen die vanwege tegengestelde ladingen aan elkaar blijven hangen. In een reageerbuisje toont het zich als een melkachtige vloeistof, maar onder de microscoop verschijnen ze als kleine, doorzichtige druppels. Volgens Smokers vormen de druppels een cruciale fase in hoe het leven op aarde ontstaan is.

„We weten dat het eerste leven op de jonge aarde waarschijnlijk ontstond in een soort oersoep. Denk aan warme getijdenpoeltjes waarin opgeloste moleculen met elkaar reageerden en de bouwstenen van het leven vormden, zoals suikers, simpele aminozuren en nucleotiden – de moleculen waaruit dna bestaat. Daarnaast hebben we ook een beeld van hoe de allereerste cel er ongeveer moet hebben uitgezien. Maar hoe die eerste bouwstenen in de oersoep zichzelf georganiseerd hebben en bij elkaar zijn gekomen in deze eerste cel, dat snappen we nog steeds niet goed.”

Een simpele, levende cel is namelijk al een verbazingwekkend complex systeem, zegt ze. „Het is een zakje met heel veel chemische reacties die precies op het juiste moment plaatsvinden, zonder elkaar te verstoren.” De reacties zijn afhankelijk van specifieke, complexe eiwitten en andere moleculen, die op de vroege aarde nog niet bestonden. Coacervaten droegen bij aan het creëren van dit soort bouwstenen. Smokers ontdekte dat zelfs simpele druppeltjes met eenvoudige moleculen in staat zijn om chemische reacties te versnellen, en zo stabielere coacervaten mogelijk maken die uiteindelijk zouden kunnen uitgroeien tot een voorloper van de cel.

De oersoep was heel zout

„Coacervaten hebben twee belangrijke eigenschappen die chemische reacties kunnen beïnvloeden. Een daarvan is de concentratie van bouwstoffen: hoe meer moleculen je in een druppel hebt, hoe groter de kans is dat ze tegen elkaar opbotsen en reageren. De tweede is de unieke lokale omgeving. Denk bijvoorbeeld aan de hoeveelheid elektrische lading, de zuurtegraad en stroperigheid.”

Wanneer hedendaagse cellen voedingsstoffen zoals suikers en vetten omzetten in energie, komen daar heel veel tussenstappen en enzymen aan te pas

Door de bestanddelen in kaart te brengen, onderzocht Smokers hoe coacervaten eigenschappen van leven kunnen ondersteunen. Voor haar thesis identificeerde ze zes van zulke eigenschappen, waaronder informatieopslag, stofwisseling, het vermogen om aan te passen naar de omgeving, en replicatie. Vervolgens onderzocht ze of deze ook in versimpelde vorm op de vroege aarde plaats hebben kunnen vinden.

„Neem bijvoorbeeld de stofwisseling. Wanneer hedendaagse cellen voedingsstoffen zoals suikers en vetten omzetten in energie, komen daar heel veel tussenstappen en enzymen aan te pas. Maar nu zagen we dat simpele stofwisselingsproducten uit de oersoep al konden reageren in coacervaten.” Door de samenstelling van de druppels te veranderen, zag ze dat het in sommige gevallen zelfs mogelijk was om de stofwisselingsreacties te versnellen.

Een ander proces dat Smokers onderzocht, is fosforylatie – het koppelen van fosfaatgroepen aan moleculen. „Dit is onder andere nodig voor het creëren van dna en het celmembraan. In moderne cellen gebeurt dat met ATP, een soort batterijtje waarin energie wordt opgeslagen. Maar op de jonge aarde bestond ATP nog niet, dus ontwikkelde ik in het lab een simpeler alternatief dat destijds mogelijk al voorkwam.” Het ATP-alternatief bleek goed in staat fosfaatgroepen te binden, onder andere wanneer het in coacervaten samenkomt met specifieke aminozuren.

Alzheimer en dna-reparatie

Door aan te tonen dat coacervaten al vroeg een rol speelden, draagt Smokers bij aan een nieuw geluid in het oorsprong­onderzoek. „Het veld is verdeeld geraakt in verschillende kampen. Sommige mensen geloven dat rna-strengen aan het begin van het leven stonden, terwijl anderen juist denken aan metabole processen of vetmoleculen. Maar met een of enkele eigenschappen ben je er nog niet: om een levende cel te laten functioneren moeten de processen ook met elkaar integreren.”

Juist daarom is het interessant om naar coacervaten te kijken, zegt ze. Coacervaten kunnen afgesloten compartimenten vormen waarin de eigenschappen van leven bij elkaar kunnen komen en een systeem kunnen vormen. „Zo’n compartiment is zelf ook al een belangrijke eigenschap: het geeft levende systemen een identiteit.” Voordat onderzoekers als Smokers de integratie van levensprocessen kunnen samenvoegen, zal het veld de komende jaren de processen nog beter in isolatie moeten begrijpen.

Vanaf komend jaar werkt ze in Dresden, in het lab waar in 2009 voor het eerst werd ontdekt dat coacervaten ook in hedendaagse cellen functies hebben. „Ze spelen bijvoorbeeld een rol in de stressreactie, en kunnen helpen bij de reparatie van beschadigd dna. Ook kunnen ze de ophoping van eiwitten beïnvloeden, wat aan de basis ligt van neuro­degeneratieve ziektes zoals alzheimer en ALS.”

„Toch blijf ik denk ik altijd een fascinatie houden voor hoe het leven is ontstaan, en de rol die coacervaten daarin gespeeld kunnen hebben”, zegt ze. Het schuurt aan boeiende filosofische thema’s. „Waar komen we vandaan? En hoe vanzelfsprekend was het dat het leven op de aarde ontstond? Vrijwel elke maatschappij die er ooit is geweest heeft een scheppingsverhaal die hier antwoorden op geeft. Als we beter snappen hoe het leven zich heeft gevormd, kan dit ons nieuwe inzichten geven over de betekenis van leven.”

Smokers wil daarom in de toekomst terugkeren op de eeuwenoude kwestie. „Als je nagaat wat het leven allemaal kan, en dat dat allemaal uit moleculen voortkomt, dan krijg je er nog veel meer waardering voor dat het ooit is ontstaan. Dat maakt je nederig. Maar ik heb er honderd procent vertrouwen in dat we in het lab de eigenschappen van leven kunnen nabootsen om ze beter te leren begrijpen.”

Wie is Iris Smokers?

Geboren1997, opgegroeid in Pijnacker Houdt vanSporten: „Als ik de kans heb ga ik wielrennen of schaatsen, lekker de natuur in. Het allermooiste is natuurlijk schaatsen op natuurijs.” De afbeeldingen van bubbels die haar proefschrift sieren, zijn dan ook geen coacervaten maar microscoopbeelden van ingekapselde luchtbellen in ijs. Besteedt haar vakantieNormaal gesproken wandelend of fietsend, maar recent aan twee conferenties, en aan haar verhuizing naar Dresden. „Maar ik zal mezelf wel als Nijmegenaar blijven beschouwen.” De journalistieke principes van NRC