(A) De verschillende stadia van de groei van polymeerblaasjes die leiden tot de uitstoting van amfifiele polymeren. (B) De vorming van nieuwe blaasjes door zelfassemblage van de amfifiele polymeren (afb: Juan Pérez-Mercader et al./PNAS)

Het leven op aarde bezit een uitzonderlijk vermogen tot zelfreproductie, dat zelfs op laagste niveau (de cel) wordt beheerst door complexe biochemie. Al tijden zoeken wetenschappers naar vergelijkbare systemen. zonder biochemie. Het lijkt er op dat onderzoekers van de Harvarduniversiteit een beginnetje (?) hebben gevonden. Voor reproductie heb je geen biochemie nodig.
De onderzoekers ontwierpen een niet-biochemisch systeem waarin synthetische celachtige structuren worden gevormd en zichzelf reproduceren door polymere sporen uit te stoten. Het zou gaan een simpele reactie waarbij chemisch actieve polymere protocellen hun reis begonnen als een uniform mengsel van moleculen die zich normaal gesproken niet zelfverbinden Wanneer ze echter met groen licht (530 nm) werden beschenen, vormden ze bootjesachtige structuren (vesikels genoemd in de microbiologie) die groeiden en zich deelden terwijl de reactie vorderde.

Levende organismen produceren nakomelingen uit hun eigen celmateriaal, waardoor nieuwe, zichzelf instandhoudende levensvormen ontstaan ​​die wisselwerken met hun omgeving voor voedsel, energie en informatie. Als alles goed gaat, stellen de interne chemische netwerken van deze nieuwe systemen die ook in staat zichzelf te reproduceren, wat leidt tot nieuwe generaties. Zoals Rudolf Virchow, de grondlegger van de cellulaire pathologie, in 1858 stelde: “Elke cel komt voort uit een reeds bestaande cel.”
In het biochemische leven zijn zelfs eencellige organismen zoals bacteriën afhankelijk van een keten van goed gecoördineerde complexe chemische processen om de levensondersteunende processen en reproductie te laten verlopen. Het is bekend dat biochemie voldoende is om zelfreproductie te verwezenlijken, maar is die daarvoor ook essentieel? Of kunnen we in het lab kunstmatige, gecompartimenteerde chemische systemen bouwen die zichzelf kunnen assembleren en reproduceren?

Eerdere studies hebben reproductie-achtig gedrag aangetoond, zoals polymerisatie-geïnduceerde zelfassemblage (PISA) in micellen (vaak heel simpele vetbolletjes) en vesikels. Deze processen waren echter niet zonder biochemische componenten en slaagden er niet in zichzelf te reproduceren.

Een vat

Om het onbekende te verkennen, ontwierpen de onderzoekers een ​​PISA-reactor met één vat, bestaande uit niet-biochemische verbindingen, met als doel amfifielen (stoffen met zowel een wateraantrekkend als -afstotend deel) te synthetiseren die zichzelf kunnen organiseren, zelfassembleren en zichzelf kunnen manifesteren tot chemisch actieve eenheden.

Het reactievat bevatte een waterige oplossing van een hydrofiel polymeer met een hydrofoob ketenoverdrachtsmolecuul aan het uiteinde, samen met het te polymeriseren monomeer en een fotokatalysator in een met stikstof gevulde en (dus) inerte omgeving. Dit mengsel werd vervolgens 90 minuten onder groen ledlicht bij 33 °C bewaard.
Ze zagen dat het mengsel van chemicaliën in water reageerden. De uitgangsmoleculen werden omgezet in amfifiele blokcopolymeren. Daaruit ontstonden niet-biologische polymeerblaasjes die je synthetische cellen zou kunnen noemen en die zich via PISA voortplantten.

De blaasjes vormden en hielden zichzelf niet alleen in stand, maar lieten ook polymere ‘sporen’ los die een niet-lineaire, exponentiële toename van het aantal blaasjes veroorzaakten, waarbij elke nieuwe generatie bepaalde eigenschappen erfde van hun ‘ouder’blaasjes. Het gedrag dat in deze studie wordt getoond, bootst zelfvoortplanting na – een belangrijk kenmerk van levende systemen – die voortkomt uit eenvoudige chemie zonder de noodzaak van complexe biochemische processen.

Volgens de onderzoekers zou hun werk niet alleen inzicht bieden in hoe het leven mogelijk is ontstaan, maar ook nieuwe mogelijkheden openen voor het creëren van een breed scala aan abiotische, levensechte systemen, maar ja: erg levendig is het allemaal nog niet.

Bron: phys.org