Weer een stapje gezet in begrip van ontstaan leven
Wetenschappers hebben een belangrijke doorbraak gemaakt in het begrijpen van hoe de eerste cellen op aarde mogelijk zijn ontstaan. Een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Chemistry, werpt licht op de vraag hoe vroege celmembranen gevormd zouden kunnen zijn uit eenvoudige moleculen, een proces dat van cruciaal belang is voor het ontstaan van leven. Onderzoekers hebben een potentieel mechanisme ontdekt waarmee kortere vetzuurmoleculen zich kunnen organiseren tot primitieve celmembranen, wat inzicht biedt in hoe de eerste cellen hun inhoud bij elkaar konden houden en zich konden onderscheiden van hun omgeving.
Moderne cellen omhullen hun inhoud met complexe, dubbelgelaagde membranen die voornamelijk bestaan uit fosfolipiden. Deze lipiden, die bestaan uit lange ketens van koolstofatomen, zijn essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. De eerste cellen op aarde waren echter waarschijnlijk niet afhankelijk van deze complexe moleculen, maar eerder van eenvoudigere vetzuren. Het probleem is dat de lange koolstofketens die nodig zijn om stabiele membranen te vormen waarschijnlijk zeldzaam waren op de jonge aarde. Wetenschappers, waaronder chemisch bioloog Neal Devaraj van de Universiteit van Californië in San Diego, vermoedden daarom dat kortere vetzuren een sleutelrol zouden hebben kunnen spelen bij het vormen van de eerste membranen.
Kortere vetzuren, zoals die met acht koolstofatomen, zijn gevonden in meteorieten, wat impliceert dat deze moleculen overvloediger waren in de vroege geschiedenis van onze planeet. Eerder onderzoek van Devaraj en zijn team heeft al aangetoond dat het aminozuur cysteïne, dat vermoedelijk ook veel voorkwam op de jonge aarde, kan fungeren als een soort chemische klem. Deze klem kan bepaalde precursor-moleculen samenvoegen om lipiden te vormen. Deze ontdekking leidde tot het idee om cysteïne te combineren met korte vetzuren om te onderzoeken of zij in staat zijn om primitieve membranen te creëren.
In het nieuwe onderzoek combineerden de wetenschappers cysteïne met vetzuren die elk acht koolstofatomen bevatten. Deze combinatie resulteerde in lipiden met dubbele staarten, wat vergelijkbaar is met de opbouw van fosfolipiden in moderne membranen. De onderzoekers ontdekten dat sommige van deze lipiden zich organiseerden in membraan-omsloten bolletjes, die bekend staan als protocellen. Hoewel deze protocellen geen echte cellen zijn, ze missen bijvoorbeeld metabolisme en een erfelijkheidsmechanisme, kunnen zij mogelijk een vroege stap in de evolutionaire ontwikkeling van cellen weerspiegelen. Interessant genoeg bleek dat protocellen niet gevormd werden wanneer de onderzoekers vetzuurmoleculen met zes of zeven koolstofatomen gebruikten, wat suggereert dat acht koolstofatomen een cruciale drempel vertegenwoordigen voor de vorming van stabiele membranen.
Een andere opmerkelijke ontdekking was dat de protocellen zich gemakkelijk vormden op glazen dekglaasjes, die siliciumdioxide bevatten. Dit is een interessant gegeven, omdat siliciumdioxide ook aanwezig is in zand en bepaalde soorten klei die veel voorkwamen op de jonge aarde. Devaraj speculeert dat deze mineralen mogelijk ook een rol hebben gespeeld bij de vorming van vroege membranen, door een gunstige omgeving te bieden voor de zelforganisatie van lipiden.
De membranen van de protocellen vertoonden meerdere overeenkomsten met die van echte cellen. Zo namen de lipiden in de protocellen dezelfde dubbele laag aan als de fosfolipiden in moderne cellen. Daarnaast konden de protocellen belangrijke moleculen insluiten, net zoals moderne celmembranen dat doen. Een andere belangrijke eigenschap die de onderzoekers observeerden, was dat de protocellen bestand waren tegen de niveaus van calcium- en magnesiumionen die waarschijnlijk aanwezig waren op de jonge aarde. Deze ionen zijn van vitaal belang voor de werking van RNA, dat wordt gezien als een mogelijke drager van de eerste genetische informatie en tevens als vroege enzymen.
Het onderzoeksteam ging nog een stap verder door de protocellen te voorzien van moderne RNA-moleculen die fungeren als enzymen. Binnen de protocellen katalyseerden deze RNA-moleculen chemische reacties, wat veronderstelt dat de protocellen mogelijk een omgeving konden bieden voor vroege metabole processen. Volgens Sarah Maurer, astrobioloog aan de Central Connecticut State University, is het een opmerkelijke prestatie dat het team lipiden met dubbele staarten heeft kunnen genereren, een eigenschap die ook kenmerkend is voor moderne membranen. Dit was namelijk een uitdaging die bij eerdere experimenten met membraanvorming niet eenvoudig kon worden bereikt.
Hoewel de protocellen aanzienlijke gelijkenissen vertonen met moderne cellen, zijn er ook verschillen. Claudia Bonfio, een biochemicus aan de Universiteit van Cambridge, merkt op dat de lipiden in de protocellen geen directe tegenhangers hebben in de membranen van huidige cellen. Dit roept de vraag op waarom deze lipiden, als ze ooit voorkwamen, nu niet langer deel uitmaken van celmembranen. De studie opent nieuwe mogelijkheden, maar roept ook nieuwe vragen op over de evolutie van celmembranen.
Volgens biochemicus Roy Black van de Universiteit van Washington biedt dit onderzoek een waardevolle nieuwe benadering voor het ontstaan van vroege membranen. Hij benadrukt echter dat er nog meer onderzoek nodig is om te begrijpen of deze protocellen zich verder kunnen ontwikkelen, bijvoorbeeld door te groeien, te delen of metabolische reacties te ondersteunen. Volgens Sheref Mansy, biochemicus aan de Universiteit van Trento, zou het succesvol in gang zetten van een metabolische cyclus binnen deze protocellen een nog indrukwekkendere stap zijn richting het begrijpen van het ontstaan van leven.