De ideale plek voor levensvatbare mini-eiwitten om te koppelen was op het grensvlak tussen water en lucht, wijst nieuw onderzoek uit.

Niets is zo prachtig als het ontstaan van leven op aarde. Maar tegelijkertijd is het ondanks decennia aan onderzoek nog altijd een mysterie voor wetenschappers. Eén ding is in ieder geval zeker: water was essentieel voor de vorming van de bouwstenen van leven – eiwitten en DNA. En daar zijn we nu iets meer over te weten gekomen. Onderzoekers van de Purdue University (VS), onder leiding van Graham Cooks, hebben namelijk ontdekt dat peptiden, of mini-eiwitten, razendsnel kunnen vormen aan de rand van waterdruppels. Ze schrijven erover in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Lees ook:

• Asteroïde bevat ‘bouwstenen van het leven’
• Heerst er leven in de wolken van Venus?
• Barsten buitenaardse oceanen van het leven?

Energieprobleem

Om een peptide te kunnen maken moeten aminozuren als een kralenketting aan elkaar worden geregen. Water is daarbij broodnodig. Bij elke binding tussen twee aminozuren wordt één watermolecuul opgebruikt. Maar gek genoeg is dit proces helemaal niet gunstig in energieopzicht. Het kost namelijk aardig wat energie om de binding te maken. Aminozuren blijven veel liever los van elkaar in het water zweven.

In onze levende cellen wordt dit energieprobleem opgelost door het gebruik van enzymen. Die vergemakkelijken en versnellen de peptidevorming. Maar bij het ontstaan van leven op de vroege aarde waren deze enzymen er uiteraard nog niet. Hoe kunnen dan toch die peptiden zijn ontstaan?

Stabiele peptiden

Cooks en zijn team denken het raadsel nu te hebben opgelost. Jarenlang deden ze experimenten met aminozuren in waterdruppels. Uit die experimenten bleek dat de ideale omstandigheden voor de peptidereactie zich bevinden op het grensvlak tussen lucht en water. Aan de waterkant worden de watermoleculen opgebruikt en aan de luchtkant is er voldoende droogte om de peptiden ná vorming stabiel te houden. Met andere woorden, in energieopzicht is het voor de aminozuren nu gunstiger om gekoppeld te blijven in plaats van los van elkaar door het leven te gaan.

Ook blijkt uit het onderzoek dat de peptidevorming op deze manier ongelofelijk snel is: duizend- tot een miljoenmaal sneller dan wanneer de aminozuren in een groot volume water zouden zijn opgelost. Zo snel dat enzymen helemaal niet nodig zijn.

Peptidemedicijnen

We zijn dus een stapje dichter bij het mysterie ontrafelen van het ontstaan van leven op aarde. Dat is niet alleen ontzettend gaaf, maar kan wetenschappers ook ideeën geven over de mogelijkheden van het bestaan van leven op andere planeten.

Daarnaast kan de kennis ook worden gebruikt in praktische toepassingen op aarde. Ziektes kunnen soms behandeld worden met bepaalde peptiden. Door gebruik te maken van waterdruppels kunnen deze moleculen mogelijk véél sneller worden geproduceerd. En hoe sneller we ze kunnen maken, hoe sneller we potentieel nieuwe peptidemedicijnen kunnen testen tegen ziektes waar nu nog geen (goede) behandeling voor bestaat.

Fenomeen bekend

“De chemie van de oorsprong van het leven is een van de grootste fascinaties in de wetenschap”, begint bioanalytisch chemicus Anouk Rijs van de VU Amsterdam. “De razendsnelle vorming van biologische polymeermoleculen zonder hulp van katalysator (enzym, red.) wordt hier duidelijk aangetoond.”

Volgens systeemchemicus Sijbren Otto van de Rijksuniversiteit Groningen, die zelf ook onderzoek doet naar het ontstaan van leven, is dit ook weer niet heel verrassend. “Wanneer je aminozuren oplost in water en daarna dat water laat verdampen (door opwarming), reageren die aminozuren tot peptides. Dit fenomeen is al langer bekend.”

Wegen van moleculen

De groep van Graham maakt gebruikt van een techniek genaamd massaspectrometrie (MS). “Simpel gezegd betekent dit het wegen van moleculen, niet met een weegschaal met met behulp van een elektrisch of magnetisch veld”, legt Rijs uit. “Door hierbij slim gebruik te maken van een spraytechniek zijn de onderzoekers in staat geweest waterdruppeltjes te maken met een groot lucht/wateroppervlak en de gevormde peptiden daarin te analyseren. Mooi gedaan!”

Otto is overigens kritisch op de vertaalslag van de MS-resultaten naar het ontstaan van leven. “In de experimenten wordt een vacuüm gebruikt en je kunt je afvragen of dat wel representatief voor de atmosferische omstandigheden van de vroege aarde. Verder kun je met MS alleen de geladen moleculen ‘zien’, terwijl neutrale peptiden waarschijnlijk juist heel belangrijk zijn geweest voor de vorming van leven. Vervolgonderzoek moet zich dus meer gaan richten op peptidevorming onder natuurlijke omstandigheden.”

Bronnen: PNAS, Purdue University via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!