Hoe zou het leven er uit zien als er meer mogelijk was?

Floyd Romesberg en synthetisch leven met meer mogelijkheden

Floyd Romesberg (afb: Scrippsinstituut)

Het systeem dat leven heet is karig omgegaan met de mogelijkheden. Onze (genetische) informatie is opgeslagen in een molecuul dat opgebouwd is uit slechts vier verschillende bouwstenen en het aantal aminozuren dat levende systemen gebruiken om eiwitten mee te maken is beperkt tot 20 (of hooguit 22). De vraag is al vaker gesteld: is dat resultaat het maximaal haalbare of het gevolg van een vrij toevallige samenloop? Zou met zes bases (de DNA-bouwstenen) niet meer mogelijk zijn of met meer eiwitten (de ‘werkpaarden; van het leven)? Dan moet je je meteen realiseren dat met meer bases ook meer fouten (mutaties) zullen ontstaan. Bij twee bases is de replicatie van DNA (verdubbeling bij celdeling) nagenoeg foutloos. En wat leveren die extra aminozuren aan extra’s op? Is wat we nu kennen als leven niet welhaast perfect? Niet meer aan knoeien, dus? Vooralsnog wordt er vooral veel gespeculeerd.

Het zal waarschijnlijk wel begonnen zijn met twee bases en minder aminozuren dan 20. Dat binaire systeem is ongelooflijk efficiënt. Pas later, vermoedden onderzoekers, zou dat tweede paar er bij gekomen zijn om een ingewikkelder systeem met een hogere informatiedichtheid mogelijk te maken. “Waarom dan geen zes of acht bases om dat nog verder te verbeteren”, vraagt Stephen Freeland, evolutionair bioloog aan de universiteit van Maryland (VS), zich af. “Het zou erg interessant zijn om daar de gevolgen van te bekijken, om te zien of de dingen beter en efficiënter kunnen worden gedaan.”
Er zijn geleerden die beweren dat zes of meer bases, heel speels ook wel DNA-letters genoemd, minder goed functioneren. Het aantal mutaties zou zo gewoon worden dat cellen het moeilijk krijgen die schade te repareren (zoals nu al met vier ‘letters’ vrij vaak gebeurt). Volgens simulaties hebben organismen die slechts gebruik maken van een basepaar niet alleen een optimale replicatienauwkeurigheid, maar ontwikkelen ze zich ook uiterst doelmatig en halen de hoogste niveaus van aanpassingsvermogen.
We weten heel weinig tot niets van de omstandigheden waaronder miljarden jaren geleden de ‘code’ voor het leven is ontwikkeld. Daarom zou het volgens Floyd Romesberg van het Amerikaanse Scrippsinstituut ook uiterst lastig zijn om de mutatiesnelheid in te schatten. Hetzelfde kun je zeggen over het feit dat een codon die codeert voor een bepaald eiwit (van de 20) bestaat uit drie bases en geen vier of twee. “Als je een probleem niet begrijpt, dan is het moeilijk daarover te theoretiseren.” Hoezo? Je zou er eens wat kansberekening op kunnen loslaten.
Vormen die 20 aminozuren, of voor sommige orgasanismes 21 of 22, aminozuren het optimum? Je kunt in ieder geval zeggen dat met die 20 heel die verscheidenheid aan leven is ontstaan, waarbij sommige van die levensvormen existeren in zeer extreme omstandigheden (hoge temperatuur, druk, zuurgraad enz.). Die twintig hebben wat eigenschappen als waterminnendheid, elektronegativiteit en grootte betreft de zaken aardig verdeeld.

Meer smaken?

Zouden meer kleuren in het palet daar iets aan verbeteren, terwijl je weet dat met een beperkt aantal kleuren (drie) alle kleuren van de regenboog te fabrieken is. Dan komt de fikse dooddoener: sommigen zeggen ja anderen weer nee.

Steven Benner van de stichting FfAME denkt dat dat wat uitmaakt. Volgens hem zijn de bouwstenen van DNA niet zo stabiel en zou een groter DNA-alfabet, mits goed gekozen, gunstige gevolgen kunnen hebben. “Extra aminozuren zouden voordelen kunnen hebben bij het aanpassen aan de omstandigheden”, stelt Tsjang Liu van de universiteit van Californië in Irvine. “Het gaat dan om een nieuw soort scheikunde die moeilijk te voorspellen is.” Toen het huidige systeem succesvol bleek, zou het moeilijk geweest zijn daar iets aan te veranderen, denkt Benner.

Tot nu toe hebben de mannen (ja het zijn alleen maar mannen) in dit artikel alleen maar gespeculeerd: iemand denkt, gelooft, heeft het over moeilijk te voorspellen scheikunde, maar niemand heeft er kennelijk aan zitten rekenen. Met een beetje wiskunde en het foutpercentage bij replicatie in het huidige systeem moet het toch niet zo moeilijk zijn te berekenen/vatten dat de kans op fouten aanzienlijk groter wordt met meer DNA-letters (om maar wat te noemen)?

Geen toevoeging

Tot nu toe hebben al die ‘toevoegingen’ aan het natuurlijke systeem weinig opgeleverd en vormen al helemaal geen evolutionaire concurrent voor dat systeem. De halfsynthetische organismes (bacteriën) van Romesberg die met behulp van twee extra bases weliswaar onnatuurlijke eiwitten produceren, doen dat minder goed dan natuurlijke organismen en inderdaad is de kans op mutaties groter. De codons zijn niet stabiel, niet op de laatste plaats omdat het nieuwe stel bases (X en Y gedoopt) nogal snel verandert in de natuurlijke ‘broeders’. Romesberg gooit het er op dat de natuur veel meer tijd heeft gehad dan hij.

Bovendien, houdt hij ons voor, zijn zijn proefnemingen gericht op toepassingen en niet op theoretisch onderzoek. Voor Freeland zijn ze nog maar pas begonnen. Van die extra toepassingen heb ik echter tot nu toe nog weinig vernomen. Gaan nou maar eerst wat rekenen (of ben ik de naïeve leek?).

Bron: Quanta Magazine

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *