Sergei Maslov (l) en Alexei Tkasjenko hebben de computer in de arm genomen om het ontstaan van leven te achterhalen

Al vele eeuwen wordt er gespeculeerd over het ontstaan van leven op aarde. Veel verder dan theorieën is het nooit gekomen en het is de vraag of we er ooit achter zullen komen. Het is nogal lastig de tijd een paar miljard jaar terug te zetten. Misschien helpt een andere aarde in het heelal ons bij het verifiëren van een ‘definitieve’ oplossing, maar ik waag het te betwijfelen. Twee Russische wetenschappers van het Amerikaanse Brookhaven-lab, Sergei Maslov en Alexei Tkasjenko, een rekenmodel gemaakt, dat laat zien hoe kleine moleculen zich vrij snel kunnen verenigen tot ingewikkelde polymeren. Wellicht is het leven ooit zo begonnen.

Het moet ergens zo’n viermiljard jaar geleden zijn begonnen, denken we nu. Toen zouden de eerste voorlopers van leven op aarde zijn ontstaan. Kleine, eenvoudige moleculen zouden zich tot ingewikkelder polymeren hebben verenigd. Op de een of andere manier zouden die ingewikkelde moleculen zichzelf zijn gaan ‘namaken’, we hebben het dan over zelfreplicatie. Tja, dat zal wel. Zelfs over die eerste stap, de stap van simpel naar ingewikkeld, hebben zich vele geleerden vergeefs het hoofd gebroken hoe dat in zijn werk kan zijn gegaan. Daar hebben beide Russen, neem ik maar even aan, dus hun rekenmodel voor gemaakt.
DNA kent iedere middelbare scholier en ook ‘neef’ RNA. Volgens een tegenwoordig veel aangehangen theorie zou RNA aan de basis hebben gestaan van de ontwikkeling van wat we leven noemen (daar hebben we niet eens een fatsoenlijke definitie voor): de RNA-wereld. Maslov en Tkasjenko volgen die gedachte. Ze vroegen zich af of het mogelijk was dat RNA, dat in tegenstelling tot DNA enkelstrengig is, zou kunnen ontstaan uit simpele moleculen. Tkasjenko: “Stel, er zijn helemaal geen polymeren en we beginnen met de bouwstenen, de  monomeren in een reageerbuis. Zouden daar ooit polymeren kunnen ontstaan? Het is antwoord is tamelijk opmerkelijk: Ja.”
Het rekenmodel bekijkt regelmatige cycli, waarin de omstandigheden voorspelbaar veranderen, bijvoorbeeld de overgang tussen dag en nacht. Stel een wereld voor waarin de complexe polymeren overdag worden afgebroken tot monomeren, maar die zichzelf ’s nachts ‘recupereren’. De aanwezigheid van een sjabloonmolecuul zou betekenen dat het polymeer zich opnieuw samenstelt zoals de nacht ervoor. Dat is dan die roemruchte zelfreplicatie. Mijn vraag is dan waarom dat sjabloonmolecuul overdag wel intact blijft.
Zelfreplicatie is een vorm van informatieoverdracht net zoals dat gebeurt bij celdeling, waarbij het DNA-molecuul gekopieerd wordt en over twee cellen wordt verdeeld. Maslov: “Die replicatie is een soort geheugen van wat er was. Het is tamelijk makkelijk om veel lange polymeren te maken, maar die hebben geen geheugen. Het sjabloon dient als geheugen. We proberen nu uit te zoeken hoe lange polymeren in staat zijn tot informatieoverdracht door te kiezen uit een klein aantal polymeren uit een gigantisch aantal mogelijkheden.”

Volgens het rekenmodel hoeven de moleculen maar iets ingewikkelder te worden, zelfs dimeren (dus twee aaneengesmede monomeren) zouden al voldoen, om ervoor te zorgen dat zich lange ketens ontstaan die uiteindelijk in staat zijn om zichzelf te repliceren. Hoe die zelfreplicerende moleculen dan weer ontstaan blijft, zeker voor mij, dan weer de grote vraag. Tkasjenko; “Als de omstandigheden goed zijn, dan is er, wat wij noemen, een eersteorde-overgang, als je gaat van die monomeersoep naar een nieuwe oplossing met lange polymeren. Nu hebben we een mechanisme voor het ontstaan van polymeren die in principe het vermogen hebben informatie te dragen en over te dragen. Als je die drempel voorbij bent, dan denk ik dat de monomeren polymeren kunnen vormen en ons meenemen van de oersoep naar de oersoufflé.”
Voor het model hoeft noch DNA, noch RNA aan de wieg van het leven te hebben gestaan. “Ons model zou een proto-RNA-molecuul kunnen beschrijven. Het zou iets heel anders kunnen zijn”, zegt Maslov. Dat hun rekenmodel geen specifiek molecuul vereist zou de ‘geloofwaardigheid’ van hun aanpak vergroten. Tkasjenko: “Het is anders dan een biochemicus zou doen. Die zou zich richten op bepaalde moleculen. Wij onwetende natuurkundigen gaan uit van een algemeen concept, omdat er een fundamenteel probleem is.” Dat probleem is de tweede wet van de thermodynamica, die, populair gezegd, stelt dat de wanorde de neiging heeft toe te nemen. De vorming van lange polymeerketens is juist het tegenovergestelde.

Het werk van het tweetal is een voortvloeisel uit de pogingen van het centrum voor functionele nanomaterialen (CFN), een instituut van het Amerikaanse ministerie van defensie, om DNA en andere biomoleculen te gebruiken voor de zelfassemblage (of zelfordening) van nanodeeltjes in nette, ordelijke rijen en kolommen. Meestal houdt het instituut zich niet bezig met door soort biologische vraagstukken. Het rekenmodel van het tweetal zou de nanotechnologen moeten helpen steeds grotere en ingewikkelder nanostructuren te bouwen met simpeler nanobouwstenen. Tkasjenko: “Er is veel interesse om zelfassemblerende structuren te maken en wij werkten aan twee problemen in een.  Een is de biologische kant, het andere gaat over de vraag of we nanosystemen kunnen maken die doen wat het model voorspelt.”
De volgende stap van de twee onderzoekers is om uit te vinden of hun model voor sjabloonondersteunde verbinding (polymerisatie) het ook mogelijk maakt dat polymeren evolutionaire veranderingen ondergaan. Dat vergt wel wat meer van het model, schijnt het. Tkasjenko: “Wat we hier wilden laten zien is dat, uitgaande van monomeren, de sjabloonondersteunde verbinding uitmondt in een reeks polymeren. De volgende kwestie is of we in staat zullen zijn om te bepalen of sommige polymeren geschikter zijn dan andere. Dat zou dan de stap zijn naar Darwin.”

Bron: Science News