Groningse onderzoekers presenteren in Nature Chemistry een minimaal systeem van twee zelfreplicerende ringstructuren, waarin Darwiniaanse evolutie optreedt.
Stap voor stap voegt de groep van Sijbren Otto, hoogleraar systeemchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen, weer een eigenschap of een route toe aan hun moleculaire systeem dat zich uiteindelijk - op een heel basaal niveau - moet gaan gedragen als een levend geheel.
Hun nieuwste troef: eco-evolutionaire dynamiek, of anders gezegd, een wisselwerking tussen moleculen en omgeving waardoor er Darwiniaanse evolutie optreedt. Survival of the fittest in een Groningse zuurkast. Het begon allemaal, ruim acht jaar geleden, met de ontdekking van zogeheten replicatoren: zelf-assemblerende ringstructuren, op basis van een benzeen 1,3-dithiol met daaraan een staart van enkele aminozuren, die uit zichzelf ‘stapelen’ tot een soort vezeltjes. Al snel daarna kwam het inzicht dat deze replicatoren in staat zijn om aan soortvorming, ook al zo’n Darwiniaans begrip, te doen: vanuit dezelfde bouwsteen ontstaan verschillende ringgroottes.
Vervolgens bleken de replicatoren ook in staat hun eigen vorming te versnellen of, na een kleine aanpassing in de bouwsteen, fotokatalyse te kunnen inzetten om nog sneller te repliceren. Bovendien bleek in dat laatste geval dat het replicatieproces, door de productie van singlet-zuurstof, ook leidde tot een verandering van de oxididatietoestand van de omgeving.
Tegengesteld effect
Al deze voorgaande stappen komen nu samen in een flowreactor-systeem waarin vanuit de vaste bouwsteen, twee verschillende replicatoren ontstaan: drieringen en zesringen. Onder invloed van licht veranderen de replicatoren de oxidatietoestand van de omgeving en die veranderde toestand heeft weer invloed op de replicatiesnelheid - de ‘fitheid’ - van de replicatoren. En, daar zit de crux, die veranderde oxidatietoestand heeft een tegengesteld effect op de twee replicatoren. ‘Een hoge oxidatietoestand, door de productie van singlet-zuurstof, is problematisch voor de zesringen’, legt Otto uit. ‘Die kunnen dan niet meer snel genoeg repliceren in de flowreactor en leggen daarom het loodje.’ In deze situatie krijgen de drieringen de overhand. Daalt de oxidatietoestand weer dan kantelt het beeld. ‘Bij een lage oxidatietoestand wordt het voor de driering te moeilijk en wint de zesring.’
Bij evolutie komt echter meer kijken dan alleen een wisselwerking tussen ‘organisme’ en omgeving. Er moet ook sprake zijn van selectie: een bepaalde eigenschap biedt een voordeel/nadeel en zal daarom toenemen/afnemen binnen de populatie. Otto: ‘De evolutionaire dynamiek zit erin dat er soms mutaties optreden en die definiëren wij als een fout in de kopie. Dus wanneer bijvoorbeeld een zesring niet opnieuw een zesring oplevert, maar een driering. Of andersom. Dan is er nog steeds een kopie gemaakt, maar het is de verkeerde. Dat gebeurt in ons systeem. Niet vaak, net zoals het in de biologie niet vaak gebeurt, maar als het gebeurt propageert de mutatie wel. Als vanuit de drieringen een foute zesring ontstaat, dan repliceert die verder als zesring. De selectiedruk zit in de veranderende oxidatietoestand van de omgeving; als die gunstig is voor de mutatie zal die sneller repliceren en daarmee neemt de “fitheid” van die mutatie toe.’
Mechanistische verklaring
Het meeste werk zat uiteindelijk niet in het opzetten en aan de praat krijgen van het systeem, maar in het verklaren van wat het team zag gebeuren, aldus Otto. ‘We zijn lang bezig geweest met de mechanistische verklaring. Het gedrag was overduidelijk, maar waarom er soms in een systeem van zesringen, de meest geziene replicator, een driering ontstond en waarom bij hoge oxidatietoestanden de driering het best presteerde, dat was een mysterie.’
Uiteindelijk zat de verklaring in het replicatiemechanisme. ‘Normaal gesproken verloopt dat via sulfide-chemie, waarbij het aanwezige thiolaat de disfulfide verbreekt en zo nieuwe ringen gevormd kunnen worden. Maar bij een hoge oxidatietoestand is er geen thiolaat meer en valt die route stil. Echter, bij de drieringen blijkt een radicaalmechanisme dan nog wel te werken. Dat is niet heel effectief, maar omdat het andere mechanisme helemaal niet meer optreedt, ‘wint’ het radicaalmechanisme en kunnen de drieringen nog wel repliceren.’
Generieker beschrijven
Ondertussen is de volgende publicatie al weer ingestuurd naar Nature Chemistry, want ze zijn nog lang niet klaar. ‘We hebben nu laten zien dat er eco-evolutionaire dynamiek optreedt in het meest minimale systeem, maar dat is ook meteen de beperking. We willen een hogere mate van evolueerbaarheid bereiken, dus meerdere lagen in het systeem brengen waarop variatie en dus ontwikkeling mogelijk is’, vertelt Otto. ‘In deze nieuwe paper gebruiken we twee verschillende bouwstenen en laten we zien dat je soms co-existentie krijgt en soms competitive exclusion, waarbij slechts een soort overblijft. Ook hier was de mechanistische verklaring weer de grootste hobbel.’
Mutatie, selectie, evolutie, propagatie, fitness: door deze overbekende, maar ook vaak verkeerd geïnterpreteerde begrippen, toe te passen op een niet-biologisch systeem waag je jezelf in een behoorlijk mijnenveld van interpretaties en definitiekwesties. Dat viel reuze mee, zegt Otto. ‘Als je maar duidelijk omschrijft wat je bedoelt. Dit leverde voor de reviewers geen problemen op.’ Volgens hem is het juist essentieel dat we deze begrippen breder interpreteren. ‘De context van de biologie heeft de terminologie vastgelegd, want dat is ook het enige voorbeeld van biochemie en leven dat we kennen. Maar deze fenomenen zijn breder en we willen ze daarom ook generieker beschrijven en gebruiken.’
Nog geen opmerkingen