Hoe is het leven ontstaan? Spontaan in een oeroceaan, voordat er cellen waren? In Japan zagen onderzoekers RNA-moleculen gaandeweg veranderen evenals hun wisselwerking. (afb: Luigi Luisi/Molecular Systems Biology)

Toen onderzoekers in Japan het voor elkaar kregen om RNA-moleculen zichzelf te laten repliceren, bleek er een systeem van ‘gastheren’ en ‘parasieten’ te zijn ontstaan die elkaar zowel beconcurreerden als samenwerkten om het systeem in stand te houden. Is dat de manier waarop het leven is ontstaan? Het laatste woord zal daarover nog niet gezegd zijn, nog lang niet.
Leven zou zijn ontstaan doordat eenvoudige ‘verzamelingen’ moleculen (of ‘verzamelingen’ eenvoudige moleculen) zich op de een of andere manier ontwikkelden. Onderzoekers in Japan zagen iets dergelijks gebeuren in reageerbuisjes met RNA-moleculen. Die RNA-moleculen konden zichzelf kopiëren. Na honderden uren was een bepaald type RNA veranderd in vijf andere RNA’s die samenwerkten om het systeem in stand te houden (je zou kunnen zeggen: om te ‘overleven’). Onderzoeksleider Ryo Mizuuchi van de universiteit van Tokio heeft het over het begin van een moleculair ecosysteem.
Het lijkt er op dat moleculen die zichzelf kunnen repliceren spontaan complexiteit kunnen ontwikkelen, een belangrijke stap voor het ontstaan van leven (stellen de onderzoekers). Mizuuchi: “We hebben het directe bewijs kunnen leveren. We hebben kunnen zien dat het echt gebeurt.”

Al in de jaren 60 schiep de moleculair bioloog Sol Spiegelman in zijn lab wat hij noemde ‘het kleine monster’. Ondanks de verwijzing naar het product van dr. Frankenstein was zijn monster niet groen, had geen vierkant hoofd of was zelfs maar levend. Het ging om een niet-natuurlijk molecuul dat zichzelf kon kopiëren.

Sol Spiegelman in 1974 (afb: WikiMedia Commons)

Dat ‘monstertje’ was een RNA-molecuul dat een beetje afgekeken was van een virusgenoom. Spiegelman ontdekte dat hij dat oneindig kon laten repliceren door het te verwarmen en er voor te zorgen dat de bouwstenen van RNA (nucleotiden) aanwezig waren om kopieën te kunnen bouwen onder invloed van het enzym replicase (als ik me niet vergis bekender als RNA-polymerase; as).
Het bleek hem dat de RNA’s gaandeweg kleiner werden. Het leek er op dat die sneller repliceerden. Net als in de ‘echte’ evolutie veranderden de moleculen onder druk van de omstandigheden in hun ‘glazen wereld’ (reageerbuisjes). Dit waren de eerste proeven die de ontwikkeling van een evolutionair proces op molecuulschaal lieten zien. Onderzoek dat volgde gaf voeding aan de theorie van het ontstaan van leven uit RNA-moleculen: de RNA-wereld.
Nog steeds was echter niet duidelijk of een enkel zichzelf kopiërend RNA-molecuul zich kon ontwikkelen tot een complex netwerk van verschillende replicerende moleculen.

‘Levendiger’

Zo’n tien jaar geleden ontwikkelde Norikazu Ichihashi van de universiteit van Osaka en collega’s een systeem dat wat meer op het echte leven leek. Ze maakten een RNA-molecuul dat codeert voor het enzym replicase, maar om dat voor elkaar te krijgen hadden ze nog iets nodig: ribosomen en ander gereedschap om de RNA-code om te zetten in eiwitten (een enzym is een eiwit). Dat ‘spul’ leenden ze van Escherichia coli-bacteriën en ‘monteerden’ die in druppeltjes. Daaraan voegden ze de RNA’s en grondstoffen aan toe. Vervolgens volgden jaren zorgvuldig mengen, meten en wachten…

Ze hielden het geheel op 37°C, voegden druppels toe met translatiegereedschap en roerden het om de replicatie te bevorderen. Om de paar dagen werden de concentraties van RNA’s gemeten. Ongeveer elk halfjaar lazen ze de RNA-sequenties uit om de ‘evolutie’ te volgen.
Na een paar honderd uur en 43 replicatieronden zagen de onderzoekers de eerste interessante ontwikkelingen die ze in 2016 opschreven: het oorspronkelijke RNA was ‘ontaard’ in twee verschillende RNA’s, waarvan ze de ene de ‘gastheer’ noemden en de ander de ‘parasiet’. De ‘gastheer’ kon zichzelf kopiëren, de ‘parasiet’ moest daarvoor een beroep doen op de ‘gastheer’.

Na nog eens 120 replicatierondes in meer dan 600 uur. Had die gastheerlijn zich in tweeën gesplitst en een daarvan had twee ‘parasieten’ gebaard. Niet alleen de verscheidenheid was groter geworden maar ook het aantal wisselwerkingen. De gastheren hadden eigenschappen verkregen (waren dus gemuteerd) die van invloed waren op het vermogen van de parasieten om hun replicatiesysteem te gebruiken. De parasieten hadden daar op hun beurt weer een antwoord op gevonden.

Wapenwedloop

De ontwikkeling van de een leidde tot de ontwikkeling van de ander. Het werd een ware evolutionaire wapenwedloop, zo lieten de onderzoekers in 2020 weten. RNA’s werden dominant maar verloren die overheersende positie ook weer aan een ‘bijdehanter’ RNA.
Ichihashi is inmiddels verkast naar de universiteit van Tokio. Volgens collegas Ryo Mizuuchi zou zonder de parasieten de grote verscheidenheid waarschijnlijk niet mogelijk zijn. Na replicatierond 190 bleek er een soort status quo te zijn ontstaan. Het leek er op dat de diverse RNA’s niet langer concurreerden op replicatie, maar samenwerkten in een quasi-stabiele toestand. In hun jongste publicatie meldden ze dat ze onder de indruk waren van de ontwikkeling. “En het zijn maar moleculen”, stelt Mizuuchi. “Dat is tamelijk onverwacht.”

Sommige van de ontdekkingen van deze groep komen overeen met wat wordt gezien bij virussen, bacteriën maar ook bij eukaryoten (cellen met een kern zoals mensen hebben). Uit de proeven bleek het belang van samenwerking. De vijf RNA’s behoorden tot kleine netwerken en sommige waren coöperatiever dan andere. Na replicatierond 228, bijvoorbeeld, had een van de gastheren zich ontwikkeld tot supersamenwerker die zichzelf kon repliceren evenals alle andere RNA’s. De andere twee gastheren konden dat alleen maar voor zichzelf en voor een parasiet. De hoop van de Japanse onderzoekers is dat er op een gegeven moment een heel nieuwe functie ontstaat als gevolg van aanpassingen in de reageerbuis.

Overigens zijn er wel kanttekeningen bij deze experimenten te maken. De bekende synbioloog David Deamer wijst er op dat het geheel plaats heeft gevonden in een totaal synthetische omgeving. De vraag blijft daarnaast toch recht overeind staan hoe het ooit is begonnen met de productie van eiwitten. De onderzoekers hebben gereedschap geleend van bacteriën en zijn niet van nul begonnen.
De onderzoekers wilden verder kijken of ze eenzelfde soort systeem kunnen produceren in een andere proefopzet, waarbij ze gebruik maken van de vijf gecreëerde RNA-lijnen. Na nog eens 22 rondes verdween een van de vijf RNA-moleculen en ze hebben geen idee hoe dat komt. Mogelijk dat het systeem ingewikkelder was dan ze zagen. Ze misten een zesde RNA-lijn die wezenlijk was voor de verdwenen lijn. De andere vier ‘overleven’, maar een minder en tenminste een RNA-lijn verdwijnt dan, zo zou uit simulaties zijn gebleken. Zo zou de verdwijning van een parasiet kunnen leiden tot het ‘uitsterven’ van de gastheer.
Inmiddels gaan de proefnemingen gewoon door. Ze zijn ook experimenten begonnen met DNA in plaats van RNA. Ichihashi: “We hebben alleen maar het begin gezien hoe gemeenschappen van replicatoren zich ontwikkelen. Ik denk dat ze in de toekomst een andere bestemming krijgen die we niet kunnen voorspellen.”

Bron: Quanta Magazine