Citroenzuur- of Krebscyclus (afb: WikiMedia Commons)

Er is al een hoop gespeculeerd over hoe het leven op aarde is ontstaan, maar de meeste hypotheses gaan toch uit van de ontwikkeling van genetische code als beginpunt van het ontstaan van leven. Daarbij heeft de theorie van de RNA-wereld waarschijnlijk momenteel de meeste aanhangers. Volgens de Britse biochemicus Nick Lane van het Universiteitscollege in Londen is het waarschijnlijk anders gegaan. In heetwaterspuiters in de diepe oceanen zou zich eerst een soort stofwisseling hebben ontwikkeld voordat er sprake zou zijn geweest van genetische informatie. De vraag is natuurlijk of je dat leven kunt noemen. Hoe zou zo’n pre-genetisch systeem zich hebben voortgeplant (denk ik dan als absolute leek op dit terrein) of is dat een erg domme vraag?
Alle levende cellen voorzien zich van energie door elektronen binnen te lokken door celwand of membraan die de cel afschermen van de chaotische buitenwereld. Dat is een aspect van leven dat net zo universeel is als de genetische code, alleen de mechanismen die daarvoor gebruikt worden zijn niet overal dezelfde. De twee simpelste celsoorten, bacteriën en archaea, hebben membranen en eiwitcomplexen die op verschillende manieren energie produceren. Die verschillen maken het moeilijk te bepalen hoe de eerste levende cellen dat zouden hebben gedaan.
Lane is hoogleraar in de evolutiebiochemie. Die verschillen in energieproductie hebben bij hem het idee doen postvatten dat niet de genetische code maar de energieproductie de eerste stap is geweest naar het ontstaan van leven. Leven is ontstaan in een omgeving met concentratieverschillen bij bepaalde kleine barrières. Daaruit, is zijn veronderstelling, zou een simpele vorm van stofwisseling zijn ontstaan waarbij zich cellen ontwikkelden die we nu kennen. Zo’n omgeving kunnen de warmwaterspuiters zijn geweest op de bodem van de zee. Die spuiters zouden erg poreus geweest zijn, een soort mineraalsponzen.
Lane heeft dit idee onderzocht in een aantal artikelen (1, 2, 3) en boeken zoals The vital question. In dat boek schreef hij dat koolstof- en energiestofwisseling drijven op protongradiënten (een proton is een, positieve, waterstofkern). Die zouden die poreuze kraters voor niks leveren. Volgens Lane is het metabolisme het centrale punt in leven. De genetische informatie zou zich daaruit hebben ontwikkeld en niet andersom. Dat idee zou alle ideeën over de grote mysteries in de biologie zoals kanker en veroudering helemaal op hun kop zetten.

Die warmwaterspuiters zijn in theorieën over het ontstaan van leven toch al populair, maar Lanes theorie zou een oplossing bieden voor de vraag waar die energie vandaan moest komen die er nodig is voor de synthese van eiwitten. Voor Lane is dat ook altijd het belangrijkste thema geweest in zijn leven als wetenschapper en als wetenschapsjournalist. Hij heeft inmiddels meer dan honderd artikelen op zijn naam staan en heeft zowel voor zijn wetenschappelijke als journalistieke werk prijzen gewonnen zolas de Biochemical Society Award in 2015.

RNA als begin

RNA zou de sleutel zijn voor het ontstaan van leven, maar Lane vraagt zich af hoe dan? “Dan hebben we een stel RNA’s die alles uitvinden, want ze kunnen zowel reacties katalyseren als zichzelf kopiëren, maar hoe ging dat dan? De stofwisseling, de cellen, de ruimtelijke structuur enzovoort? Genen doen dat nu ook niet. Cellen ontstaan uit cellen en de genen gaan daarin mee. Waarom zouden die dat in het begin wel doen? En hoe? Als er, zeg, tien stappen zijn voor een biochemische reactiereeks en elke reactie is op zichzelf niet nuttig. Elk product in zo’n reeks moet nuttig zijn om te evolueren, maar dat is niet zo. Het is moeilijk om zo zelfs maar een zo’n reeks te ontwikkelen.”

De ontwikkelingen zouden spontaan moeten kunnen gebeuren onder bepaalde omstandigheden. In het begin is het nog niet veel en misschien ontstaat er onderweg een gen dat de reacties wat kan versnellen. Een jaar of zes, zeven geleden zou zo’n hypothese zijn weggehoond, volgens hem, maar inmiddels is in het lab bewezen van drie of vier van die reactiereeksen (routes noemt hij die) dat die spontaan kunnen ontstaan. Dat sterkt hem in zijn idee.

Hij begint bij het (zijn) begin: de reactie van waterstof met kooldioxide. Die stoffen reageren niet zo maar met elkaar. Als je naar processen in de mitochondriën, de krachtcentrales van de cel, of in bacteriën dan worden elektronen van waterstof overgedragen op ijzer/zwaveleiwitten zoals ferredoxine. Dat zijn volgens Lane net kleine mineralen die je ook in die spuiters vindt. “Je hebt er ook waterstof en kooldioxide en kleine barrières in het poreuze materiaal van die kraters met een elektrische lading.” Dat zou zijn bewezen. Het is allemaal niet veel, maar als we eenmaal een begin hebben dan kan dat systeem zich ontwikkelen, vindt Lane. Als we dan nog stikstof toevoegen krijg je aminozuren, de bouwstenen van eiwitten.

Hij geeft toe dat veel nog louter speculatie is. Zo laat hij ergens RNA ontstaan, korte stukjes, maar waarom zouden die eiwitten gaan produceren en hoe dan? Op een of ander listige wijze moet er informatie in het systeem gekomen zijn.

Kanker

Volgens Lane zou zijn theorie ook de zaken drastisch veranderen op terreinen als kanker(bestrijding) en veroudering. Volgens hem zijn de mutaties niet het probleem bij de veroudering, maar het feit dat we oud zijn. Veroudering geeft de staat van je stofwisseling weer.
Bij kanker loopt de Krebs- of citroenzuurcyclus, die zorgt voor het vastleggen van energie, andersom dan bij gezonde cellen. Dat zou kankercellen de gelegenheid geven onstuimig te groeien. Door de manier om energie te verkrijgen te veranderen, gebruiken kankercellen de mitochondriën voor andere doelen. Volgens Lane komt bij kanker de stofwisseling voor de (mutaties in) genen.

Lane: “We hebben de laatste jaren ontdekt dat de Krebscyclusproducten goede signalen zijn (voor veroudering; as). Als die trager wordt en begint terug te lopen dan hopen we tussenproducten op en stoffen als succinaten (zouten of esters van barnsteenzuur; as) lopen dan uit de mitochondriën. Daardoor worden duizenden genen aan- en uitgezet. Dat verandert de epigentische toestand van de cellen.”
“We neigen te vergeten dat de stofwisseling misschien wel 20 miljard reacties per seconde inhoudt, elke seconde weer in elke cel in ons lichaam. Het volume van alle moleculen die constant veranderen in al deze routes, inclusief de Krebscyclus, is enorm. Het is een onafzienbare stroom van reacties. We kunnen de stroom niet keren, maar ze wel beter binnen hun oevers houden.” En die geweldige chemische fabriek zou zijn ontstaan in een warmwaterspuiter op de bodem van de zee van de vroege aarde. Wordt, ongetwijfeld, vervolgd.

Bron: Quanta Magazine