AchtergrondProtoleven

Leven brouwen in het lab: de knutselwezens komen eraan

Beeld Marthe van de Grift

Het scheppen van nieuw leven uit het niets is voor chemici over de hele wereld het hoogst haalbare. In de oersoepen in hun laboratoria krijgen de eerste knutselwezens vorm.

Flashback naar 3,8 miljard jaar geleden. De aarde, ergens in het water. Organische moleculen beginnen aan een chemische dans die onze planeet uiteindelijk zal transformeren van kale wereld naar de plek die wij kennen, krioelend van het leven. Welke trucs Moeder Natuur daarvoor gebruikte, is nog onbekend. Toch proberen wetenschappers die eerste, mythische stapjes nu te herhalen. Niet in een chaotische oersoep die je miljoenen jaren laat pruttelen, maar gewoon in het lab.

Zo ook Sijbren Otto, chemicus aan de Universiteit Groningen. ‘Je ziet straks geen kleurenspektakel, geen rook, geen explosies, niks van dat alles’, waarschuwt hij wanneer hij zijn laptop vastpakt om een digitale, ‘covid-proof’ rondleiding door zijn lab te geven. En inderdaad: dat lab ziet eruit als elk ander. Onderzoekers in witte jassen zijn druk bezig, terwijl tl-buizen hard, vlak licht over de labtafels strooien. Verspreid door de ruimte tref je chemische apparatuur en zwerven reageerbuisjes en containers met chemicaliën.

Toch is het hier dat Otto de vonk van het leven voor een tweede keer wil laten overspringen. En wel op geheel eigen wijze. De protowezens waar hij aan sleutelt lijken namelijk in niets op het leven dat zich de afgelopen miljarden jaren als lopende, vliegende en zwemmende massa over de aarde verspreidde.

Elk aards wezen is gemaakt uit een aantal vertrouwde bouwstenen: cellen, met daarin onder meer eiwitten en dna. Van die onderdelen gebruikt het leven van Otto niets. In zijn lab brouwt hij een eigen oersoep, vol basale chemicaliën waarmee het nieuwe leven aan de haal kan gaan. 

Onooglijk witte sliertjes

Wat daaruit opborrelt, heeft voorlopig nog weinig charisma. Toch zijn de onooglijke witte sliertjes die in zijn lab groeien de protowezens die wereldwijd nu het dichtst tegen ‘levend’ beginnen aan te schurken. Allereerst kunnen ze zichzelf kopiëren  kinderen maken, zouden wij zeggen. Dat is al bijzonder, maar in de wereld van het synthetisch leven niet uniek. Eerder dit jaar bleek echter dat ze ook kunnen eten. Of, zoals Otto het liever omschrijft: ze beginnen voorzichtige tekenen van metabolisme te vertonen.

‘Als je heel grondstoffelijk naar het leven kijkt, voldoet dat aan vier voorwaarden’, zegt Otto. Het kopieert zichzelf, het eet om in leven te blijven en het zit in een soort compartiment: cellen hebben een membraan, mensen zitten gewikkeld in een vel. Wie die drie eigenschappen combineert in één wezen en dat laat evolueren (de vierde voorwaarde) kan leven scheppen. En van die vier voorwaarden tikken de labwezentjes van Otto er nu al twee aan.

Van dood naar levend

Leven scheppen – Otto ziet het als niets minder dan het allerhoogst haalbare in de chemie. En hij is niet de enige die er zo over denkt. ‘De transitie van dood naar levend, dat is écht een fundamentele doorbraak’, zegt Wilhelm Huck, die aan de Radboud Universiteit werkt aan synthetisch leven. ‘Al het leven dat we kennen komt uit vorig leven. Elke cel die je bekijkt is afkomstig van een eerdere cel. Om dat te doorbreken en nieuw leven te maken... dat is echt ultiem. Die stap wil je zetten.’

De protowezens van Otto komen in de buurt. Zijn ‘sliertjes’ beginnen hun bijna-leven als moleculen die aan elkaar klikken tot ringetjes. Die ringetjes rijgen vervolgens samen tot sliertjes, of stapels. ‘En daarmee gebeurt iets dat mij erg intrigeert’, zegt Otto. Sommige stapels blijken namelijk kleine holtes te hebben die het makkelijker maken om nageslacht te produceren. 

Efficiënte dood

Een rudimentaire vorm van metabolisme, stelde Otto onlangs nog in twee publicaties in de vakbladen Nature en Nature Chemistry die wereldwijd de aandacht trokken. Maar helemaal hetzelfde als hoe het bij mensen gaat, is het niet. Als een mens geen maagdarmkanaal heeft, gaat hij dood. Maar als een sliertje zijn holtes verliest, verloopt alleen de productie van nieuwe sliertjes trager. Die holtes zijn dan handig om te hebben, maar niet strikt noodzakelijk. ‘Daarom introduceren we de dood.’

Als schepper van protoleven blijkt Otto niet louter barmhartig. Na verloop van tijd helpt hij ‘zijn’ sliertjes genadeloos om zeep. ‘Wanneer je de dood maar efficiënt genoeg maakt, overleven alleen die sliertjes die zichzelf dankzij hun holtes efficiënter kopiëren’, zegt Otto. ‘Metabolisme is dan, net als bij ons, essentieel.’

Maar wacht eens: als sommige sliertjes zoveel beter zijn aangepast aan de omstandigheden dan anderen, leidt dat dan niet vanzelf tot voorwaarde vier: evolutie? Vindt dan niet vanzelf natuurlijke selectie plaats, waarbij alleen de efficiënte kopieerders het redden? 

Nee, zegt Otto. Het probleem is dat alle sliertjes  goede én slechte kopieerders – bij elkaar in één buisje zitten. Van de handige moleculen die de efficiënte individuen produceren om sneller nakomelingen te kunnen maken, kunnen ook hun minder efficiënte soortgenoten profiteren. En als iedereen profiteert, niet alleen de betere individuen, vindt er geen selectie plaats. De enige oplossing: de individuen scheiden, zodat ze het zelf moeten zien te rooien. Je moet ze, met andere woorden, in een compartimentje stoppen. Een soort cel maken.

‘Het is grappig hoe dat werkt’, zegt Otto. Zelfs als je niet van plan was een cel te maken, kun je er uiteindelijk niet omheen. Het lijkt haast wel, zegt hij, dat het leven generieke principes kent – een universeel bouwplan waarvan Otto en collega’s in het lab nu de eerste contouren ontwaren. 

Beeld Marthe van de Grift

Sprong naar leven

Blijft de vraag natuurlijk: wanneer is het gelukt? Wanneer zijn sliertjes niet langer langwerpige moleculen met maf gedrag, maar léven? Het is een vraag die je alleen kunt beantwoorden als je een goede definitie op zak hebt. En juist daarover lopen de meningen uiteen. ‘Een bioloog zal zeggen: als het geen cel heeft, is het niet levend, klaar’, zegt Huck. Terwijl anderen misschien al genoegen nemen met een vernuftig systeem van chemische reacties dat zichzelf kan voortplanten en evolueren. 

Maar éígenlijk hopen de meeste kenners dat leven altijd onmiskenbaar is. ‘Ik leun daarvoor op het werk van chemicus John Sutherland, uit Cambridge’, zegt Huck. Hij stelt dat protoleven steeds vernuftiger in elkaar zit en meer dingen kan, totdat je een magische grens passeert. Plotsklaps krijg je evolutie, en ontstaan almaar complexere levensvormen. Als dat klopt, hoef je alleen maar zo dicht mogelijk tegen het leven aan te schurken en doet Moeder Natuur daarna de rest. 

Waar die grens precies ligt, weet niemand. Zeker is dat een chemisch systeem eerst nog wat horden moet nemen. Neem alleen al een kwestie die in vakkringen bekendstaat als de Eigen-paradox, vernoemd naar de vorig jaar overleden chemicus Manfred Eigen. Die paradox stelt dat een zelfreplicerend molecuul – dna bijvoorbeeld – om complex te worden al complex moet zíjn.

Kip of ei

In het geval van dna schuilt het probleem in het maken van kopieën ervan. Wil je dat voor lang, complex dna nauwkeurig doen, dan moet je een soort foutcorrectiemechanisme optuigen. Alleen: om zoiets te kunnen maken, moet het dna al heel complex zijn. Het moet dan immers de informatie in zich dragen die uitlegt hoe je dat correctiemechanisme produceert. De vraag is: hoe neem je die horde? Als een kip er niet kan zijn zonder een ei, en een ei niet zonder de kip, hoe dan verder? 

‘Als je al die informatie over correctiemechanismen nodig hebt om goed dna te maken, kun je dat natuurlijk allemaal in één molecuul stoppen. Maar je kunt ook een groep van veel kortere dna-moleculen leren samenwerken’, zegt Otto. Alsof de eerste kip niet uit een ei kwam, maar ontstond uit een samenwerkingsverband van losse pootjes, vleugels en een snavel. 

Net als veel van zijn collega’s vermoedt Otto dat samenwerken de missing link is in het bouwplan van het leven. ‘Die Eigen-paradox duikt op en de oplossing blijkt samenwerken. Iets dat we het leven overal om ons heen zien doen’, zegt hij – of het nu gaat om chemische processen die samenwerken in een cel, of diersoorten die allemaal hun rol spelen in complexe ecosystemen. ‘Dat kan geen toeval zijn.’

De computerchip van het leven

Vandaar dat mensen zoals Huck hun zoektocht meteen maar bij dat samenwerken beginnen. Dat doet hij overigens met de bouwstenen die het leven ook gebruikt: dna, of iets dat daar sterk op lijkt, en eiwitten. In zijn lab bekijkt hij hoe al die stoffen zichzelf organiseren in netwerken van chemische reacties. ‘Als ik nu een plattegrond teken van alle reacties die in de cel plaatsvinden, dan zie je een enorme wandkaart met een overdonderende kluwen aan reacties’, zegt hij. 

Kijk door je oogharen, en het lijkt wel wat op een printplaat uit een computer, waarop allerlei rekenprocessen fysiek zijn vastgelegd in een bonte verzameling aan zichtbare lijntjes en verbindingen. Maar waar op een computerchip – en in een levende cel – ondanks de grote aantallen processen orde heerst, is de oersoep een product van chaos. ‘En toch ontstond daaruit het leven.’

Huck denkt dat chemici zich tot nog toe te veel hebben blindgestaard op orde. Op overzichtelijke chemie, waarbij je kookt, een beetje roert en ergens een afgemeten hoeveelheid van een bekende stof bij gooit om een voorspelbare chemische reactie aan te zwengelen. Terwijl de omgeving van het leven onvoorspelbaar en tegenstrijdig is: nat én droog, warm én koud, in het licht én in het duister. ‘Al die veranderende omstandigheden, moleculen die bewegen, ergens instromen en dan weer wegstromen – het is denk ik allemaal van essentieel belang’, zegt hij.

Volgens Huck stuwt die chaos een systeem onherroepelijk naar organisatie. Sommige reacties in de oersoep zullen bijvoorbeeld traag verlopen ten opzichte van het tempo van veranderingen. Die zullen noodgedwongen een andere rol krijgen dan de snellere reacties. Zo ontstaat vanzelf orde, een complex systeem.’

Geen schijn van kans

Als Huck, Otto en anderen die wereldwijd met soortgelijke projecten bezig zijn in hun opzet slagen, hoeven we ons geen zorgen te maken dat de nieuwe knutselwezens uit hun lab ontsnappen en ons een kopje kleiner maken. De kans dat de sliertjes van Otto straks de aarde overwoekeren in een moderne variant op sciencefictionklassieker The Day of the Triffids is nihil, benadrukt hij. ‘Dit leven is zodanig kwetsbaar dat het geen gevaar oplevert. Als je er een beetje bleekloog bij gooit, is alles weg. De sliertjes vallen dan uit elkaar in basale bouwstenen.’

Bovendien, zegt Otto, is ons aardse leven zo succesvol dat nieuw leven geen schijn van kans maakt. ‘Darwin zelf zei ook al: alles dat nu nog ontstaat, heeft een evolutionaire achterstand van een paar miljard jaar. Dat haal je niet meer in. De new kid on the block zal de strijd om grondstoffen altijd verliezen.’

Volgens Huck is de vraag dan ook niet zozeer of het nieuwe leven geváárlijk is, maar wat het doet met ons wereldbeeld. ‘Mocht dit ons ooit lukken, iets doods veranderen in iets levends, dan ontneem je het leven toch iets van zijn magie’, zegt hij. ‘Het wordt dan ineens maakbaar. Ik kan me voorstellen dat dat voor veel mensen wel even slikken zal zijn.’

Het synthetisch rariteitenkabinet

Naast de kriebelige witte sliertjes van Sijbren Otto, zijn wereldwijd nog meer knutselwezens in opkomst. Maak kennis met drie van de meest markante exemplaren. 

1. Het ‘hachimoji’-leven. Deze wezens hebben in hun binnenste geen dna met vier basen, zoals u en ik, maar acht. Door die extra basen kunnen ze meer informatie opslaan in hun dna. Het begon vorig jaar bij een stukje spinazie-dna met upgrade, schrijven de betrokken onderzoekers in vakblad Science, maar in de toekomst wil men de stap zetten naar bacteriën of nog groter. 

2. De nieuwe cel. Wetenschappers van zes Nederlandse universiteiten werken aan een project met codenaam ‘basyc’ (‘building a synthetic cell’). Daarbij proberen ze van de grond af aan – met alleen een aantal bestaande moleculaire bouwstenen – een functionerende, levende cel te maken. Als het lukt, wordt dat de eerste cel sinds de oertijd van de aarde die niet uit een vorige cel is geboren. 

3. Levende druppels. Leven heeft de neiging zich af te scheiden van de boze buitenwereld. De mens zit gehuld in een huid, terwijl de cel een celwand heeft. Maar misschien kan een simpel druppeltje al eenzelfde rol vervullen, blijkt uit onderzoek van Job Boekhoven en collega's aan de Technische Universiteit München. In hun experimenten beginnen de chemische systemen in die druppeltjes nu de eerste tekenen van leven te vertonen. 

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden