De oorsprong van het leven op aarde is een set van paradoxen. Om leven te laten ontstaan, moet er een genetische molecule zijn geweest – zoiets als DNA of RNA – die in staat is blauwdrukken door te geven voor het maken van eiwitten, de werkpaardmoleculen van het leven. Maar moderne cellen kunnen geen DNA en RNA kopiëren zonder de hulp van eiwitten zelf. En om het nog erger te maken: geen van deze moleculen kan zijn werk doen zonder vette lipiden, die de membranen leveren die cellen nodig hebben om hun inhoud binnen te houden. En in nog een andere kip-en-ei-complicatie zijn eiwit-gebaseerde enzymen (gecodeerd door genetische moleculen) nodig om lipiden te synthetiseren.
Nu zeggen onderzoekers dat ze deze paradoxen hebben opgelost. Scheikundigen melden vandaag dat een paar eenvoudige verbindingen, die overvloedig aanwezig zouden zijn geweest op de vroege aarde, aanleiding kunnen geven tot een netwerk van eenvoudige reacties die de drie belangrijkste klassen van biomoleculen produceren – nucleïnezuren, aminozuren en lipiden – die nodig zijn voor de vroegste vorm van leven om zijn start te maken. Hoewel het nieuwe werk niet bewijst dat het leven op deze manier is begonnen, kan het uiteindelijk helpen een van de diepste mysteries in de moderne wetenschap te verklaren.
“Dit is een zeer belangrijk artikel,” zegt Jack Szostak, een moleculair bioloog en onderzoeker naar de oorsprong van het leven aan het Massachusetts General Hospital in Boston, die niet verbonden was aan het huidige onderzoek. “Het stelt voor het eerst een scenario voor waarin bijna alle essentiële bouwstenen voor het leven in één geologische omgeving zouden kunnen worden samengesteld.”
Wetenschappers hebben lang hun eigen favoriete scenario’s aangeprezen voor welke set van biomoleculen het eerst werd gevormd. Voorstanders van “RNA World” suggereren bijvoorbeeld dat RNA de pionier kan zijn geweest; niet alleen is het in staat genetische informatie te dragen, maar het kan ook dienen als een proteïne-achtige chemische katalysator, die bepaalde reacties kan versnellen. Voorstanders van metabolisme-eerst hebben intussen betoogd dat eenvoudige metalen katalysatoren, in tegenstelling tot geavanceerde op eiwitten gebaseerde enzymen, een soep van organische bouwstenen kunnen hebben gecreëerd waaruit de andere biomoleculen kunnen zijn ontstaan.
De RNA Wereld hypothese kreeg een grote impuls in 2009. Scheikundigen onder leiding van John Sutherland van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk meldden dat zij hadden ontdekt dat relatief eenvoudige precursorverbindingen, acetyleen en formaldehyde, een reeks reacties konden ondergaan om twee van de vier nucleotide-bouwstenen van RNA te produceren, waarmee zij een plausibele route aangaven voor de wijze waarop RNA uit zichzelf kon zijn gevormd – zonder de noodzaak van enzymen – in de oersoep. Critici wezen er echter op dat acetyleen en formaldehyde zelf nog steeds tamelijk complexe moleculen zijn. Dat riep de vraag op waar zij vandaan kwamen.
Voor hun huidige studie gingen Sutherland en zijn collega’s terug in de tijd om te zien of zij een route konden vinden naar RNA uit nog eenvoudiger uitgangsmaterialen. Dat is gelukt. In het huidige nummer van Nature Chemistry rapporteert Sutherland’s team dat het nucleïnezuurprecursoren heeft gemaakt met alleen waterstofcyanide (HCN), waterstofsulfide (H2S) en ultraviolet (UV) licht. Bovendien, zegt Sutherland, creëren de omstandigheden die nucleïnezuurprecursoren produceren ook de startmaterialen die nodig zijn om natuurlijke aminozuren en lipiden te maken. Dat suggereert dat de meeste bouwstenen van het leven gelijktijdig uit één enkele reeks reacties kunnen zijn voortgekomen.
Het team van Sutherland stelt dat de vroege aarde een gunstige omgeving voor die reacties was. HCN is overvloedig aanwezig in kometen, die gedurende bijna de eerste paar honderd miljoen jaar van de geschiedenis van de Aarde gestaag naar beneden regenden. De inslagen zouden ook genoeg energie hebben opgeleverd om HCN te synthetiseren uit waterstof, koolstof en stikstof. Evenzo, zegt Sutherland, zou H2S veelvuldig op de vroege Aarde zijn voorgekomen, evenals de UV-straling die de reacties zou kunnen aanjagen en metaalhoudende mineralen die ze zouden kunnen katalyseren.
Dit gezegd hebbende, waarschuwt Sutherland dat de reacties die elk van de sets bouwstenen zouden hebben gemaakt, onderling zo veel verschillen – dat ze bijvoorbeeld verschillende metaalkatalysatoren vereisen – dat ze waarschijnlijk niet allemaal op dezelfde plaats zouden hebben plaatsgevonden. Hij zegt dat kleine variaties in chemie en energie de vorming van de ene set bouwstenen boven de andere, zoals aminozuren of lipiden, op verschillende plaatsen kunnen hebben bevorderd. “Regenwater zou deze verbindingen dan in een gemeenschappelijke poel spoelen,” zegt Dave Deamer, een onderzoeker naar de oorsprong van het leven aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz, die niet bij het onderzoek betrokken was. Dat detail is vrijwel zeker voor altijd verloren gegaan voor de geschiedenis. Maar het idee en de “plausibele chemie” erachter is het waard om goed over na te denken, zegt Deamer. Szostak is het daarmee eens. “Dit algemene scenario roept veel vragen op,” zegt hij, “en ik ben er zeker van dat er nog lang over gediscussieerd zal worden.”