In een publicatie in Science Advances wordt betoogd dat het leven op aarde niet één, maar twee keer is ontstaan. Hoewel er één oorsprong is voor de genetische code (LUCA), zouden bacteriën en archaea onafhankelijk van elkaar metabole enzymen hebben ontwikkeld om 'vrij levende' cellen te worden. Het proces verliep in vier fasen, waarbij vroege levensvormen aanvankelijk afhankelijk waren van metaalkatalysatoren in hydrothermale bronnen voordat ze hun eigen enzymen ontwikkelden. Daarnaast wordt gesuggereerd dat fosfiet in de prebiotische chemie een alternatief was voor het huidige energie-molecuul ATP.
'Slechts één conclusie': Radicale studie suggereert dat leven op aarde tweemaal is ontstaan
Een radicale nieuwe studie, gepubliceerd in Science Advances, suggereert dat deze onwaarschijnlijke drempel mogelijk niet één, maar twee keer is overschreden. Volgens de studie hebben twee van de belangrijkste lineages van het leven – bacteriën en archaea – onafhankelijk van elkaar de geheimen van het metabolisme ontrafeld. Hierdoor maakten ze de overstap van niet-levend naar levend. De studie richtte zich hierbij op de meest rudimentaire set chemische reacties die deze transformatie mogelijk maken.
"De verrassing is dat de enzymen die deze reacties katalyseren, niet behouden zijn gebleven over de evolutionaire kloof die bacteriën en archaea scheidt," zegt William Martin, bioloog aan de Heinrich Heine University Düsseldorf in Duitsland. "De nieuwe data laten slechts één conclusie toe: de bacteriële en archaeale lineages maakten onafhankelijk van elkaar de overgang naar een vrij levende staat. Alleen vrij levende cellen zijn echt 'levend'. Laten we het bij naam noemen: we kijken naar één oorsprong van de genetische code, maar twee oorsprongen van het leven."
De definitie van leven en het metabolisme
Het is een gedurfde claim, zeker omdat het definiëren van wat 'leven' precies is, verrassend lastig kan zijn. Over het algemeen wordt leven beschouwd als materie die reageert op haar omgeving, energie opneemt, groeit en zichzelf reproduceert. Hoewel dit de basis lijkt te dekken, is zelfs deze brede definitie imperfect; virussen kunnen namelijk het meeste hiervan, maar worden traditioneel niet als 'levend' beschouwd.
Eén aspect van leven dat universeel is – en dat virussen missen – is het metabolisme: de verzameling chemische reacties die organismen gebruiken om moleculen te maken die essentieel zijn voor hun dagelijkse functioneren.
Enzymen zijn de eiwitten die als katalysator fungeren voor deze reacties. Dit roept echter een kip-of-het-ei-vraag op: enzymen zelf zijn producten van chemische reacties. Hoe konden de eerste levensvormen dus beginnen met metaboliseren (inclusief het maken van enzymen) zonder de hulp van andere enzymen?
De rol van de omgeving en LUCA
Het antwoord lijkt in de omgeving te liggen. Men gelooft algemeen dat het eerste leven ontstond in extreem reactieve omgevingen, zoals hydrothermale bronnen. Metalen die daar natuurlijk voorkomen, zouden de eerste katalysatoren voor het metabolisme kunnen zijn geweest, waarbij ze verbindingen zoals waterstofgas, ammoniak en kooldioxide omzetten in andere nuttige moleculen.
In hun paper schrijven Martin en zijn collega's: "Bijna alles over de oorsprong van het metabolisme is onderwerp van debat (...) Toch zal iedereen het over één aspect eens zijn: het netwerk van circa 400 reacties dat H2, CO2, NH3, H2S en fosfaat omzet in aminozuren, basen en cofactoren kan niet in één klap zijn ontstaan. De opkomst hiervan uit spontane omgevingsreacties moet via tussenliggende fasen van assemblage zijn gegaan."
De onderzoekers analyseerden de eiwitstructuren van kernenzymen voor het metabolisme in de genomen van bacteriën en archaea. Met een speciaal ontwikkeld algoritme brachten ze deze in volgorde van complexiteit om een ruwe tijdlijn op te stellen.
"We ontdekten dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder van alle cellen, LUCA (Last Universal Ancestor), enzymen bezat voor slechts ongeveer de helft van de metabole reacties," zegt Martin. "De andere helft werd gekatalyseerd door metalen in de omgeving waarin LUCA ontstond."
Vier fasen naar vrij levende cellen
Het team stelt dat er waarschijnlijk vier verschillende fasen waren in de ontwikkeling van katalyse (enzymgestuurde reacties):
- Volledige afhankelijkheid: De eerste fase vertrouwde uitsluitend op metalen in de omgeving.
- Ontwikkeling van proto-cellen: Zodra er genoeg nuttige moleculen waren opgebouwd, konden 'bijna-levende' proto-cellen (waaronder LUCA) hun eigen enzymen gaan ontwikkelen die sommige functies van de metaalkatalysatoren overnamen.
- Vermindering van afhankelijkheid: Na verloop van tijd ontwikkelden latere proto-cellen steeds meer enzymen, waardoor hun afhankelijkheid van externe metalen afnam.
- Vrij levende status: Pas wanneer ze geen externe metalen meer nodig hadden, konden ze worden beschouwd als 'vrij levende cellen'.
Cruciaal is dat dit proces pas plaatsvond nadat bacteriën en archaea zich al hadden gesplitst. Deze twee takken vonden elk hun eigen manier om dezelfde problemen op te lossen.
"We zien gevallen waarin de voorouders van bacteriën en archaea onafhankelijk van elkaar structureel verschillende enzymen hebben ontwikkeld om dezelfde essentiële metabole reactie te katalyseren," zegt Natalia Mrnjavac, eveneens bioloog aan de Heinrich Heine University Düsseldorf. "Dergelijke parallelle uitvindingen kunnen de weg hebben vrijgemaakt voor het onafhankelijke ontstaan van vrij levende bacteriën en archaea."
Een alternatief voor ATP
De studie vult mogelijk ook een ander gat in onze kennis over de oorsprong van het leven. Het molecuul ATP is tegenwoordig een vitale energiebron voor het metabolisme, maar ATP wordt gemaakt door enzymen en was dus niet beschikbaar in de prebiotische chemie. De onderzoekers hebben een alternatief geïdentificeerd.
"Wanneer we fosfiet – een vorm van fosfor die natuurlijk voorkomt in hydrothermale bronnen – laten reageren met organische verbindingen, krijgen we in water vrijwel direct metabole fosforyleringsreacties," zegt Manon Schlikker, moleculair evolutionair wetenschapper aan de Heinrich Heine University Düsseldorf. "Fosfiet en palladium vervangen hierbij ATP en enzymen; het is verbazingwekkend en maakt de vroege evolutie veel gemakkelijker te begrijpen."
Conclusie: Twee stammen in de stamboom
Als deze bevindingen worden bevestigd door verder onderzoek, moet ons beeld van de 'stamboom des levens' mogelijk worden bijgewerkt. Meestal zien we LUCA als de stam van de boom, waaraan alle andere levensvormen vertakken.
Het is echter mogelijk dat er twee volledig gescheiden stammen waren, die al bij de wortels uiteengingen voordat ze technisch gezien 'levend' waren.
***
De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
'Slechts één conclusie': Radicale studie suggereert dat leven op aarde tweemaal is ontstaan
Een radicale nieuwe studie, gepubliceerd in Science Advances, suggereert dat deze onwaarschijnlijke drempel mogelijk niet één, maar twee keer is overschreden. Volgens de studie hebben twee van de belangrijkste lineages van het leven – bacteriën en archaea – onafhankelijk van elkaar de geheimen van het metabolisme ontrafeld. Hierdoor maakten ze de overstap van niet-levend naar levend. De studie richtte zich hierbij op de meest rudimentaire set chemische reacties die deze transformatie mogelijk maken.
"De verrassing is dat de enzymen die deze reacties katalyseren, niet behouden zijn gebleven over de evolutionaire kloof die bacteriën en archaea scheidt," zegt William Martin, bioloog aan de Heinrich Heine University Düsseldorf in Duitsland. "De nieuwe data laten slechts één conclusie toe: de bacteriële en archaeale lineages maakten onafhankelijk van elkaar de overgang naar een vrij levende staat. Alleen vrij levende cellen zijn echt 'levend'. Laten we het bij naam noemen: we kijken naar één oorsprong van de genetische code, maar twee oorsprongen van het leven."
De definitie van leven en het metabolisme
Het is een gedurfde claim, zeker omdat het definiëren van wat 'leven' precies is, verrassend lastig kan zijn. Over het algemeen wordt leven beschouwd als materie die reageert op haar omgeving, energie opneemt, groeit en zichzelf reproduceert. Hoewel dit de basis lijkt te dekken, is zelfs deze brede definitie imperfect; virussen kunnen namelijk het meeste hiervan, maar worden traditioneel niet als 'levend' beschouwd.
Eén aspect van leven dat universeel is – en dat virussen missen – is het metabolisme: de verzameling chemische reacties die organismen gebruiken om moleculen te maken die essentieel zijn voor hun dagelijkse functioneren.
Enzymen zijn de eiwitten die als katalysator fungeren voor deze reacties. Dit roept echter een kip-of-het-ei-vraag op: enzymen zelf zijn producten van chemische reacties. Hoe konden de eerste levensvormen dus beginnen met metaboliseren (inclusief het maken van enzymen) zonder de hulp van andere enzymen?
De rol van de omgeving en LUCA
Het antwoord lijkt in de omgeving te liggen. Men gelooft algemeen dat het eerste leven ontstond in extreem reactieve omgevingen, zoals hydrothermale bronnen. Metalen die daar natuurlijk voorkomen, zouden de eerste katalysatoren voor het metabolisme kunnen zijn geweest, waarbij ze verbindingen zoals waterstofgas, ammoniak en kooldioxide omzetten in andere nuttige moleculen.
In hun paper schrijven Martin en zijn collega's: "Bijna alles over de oorsprong van het metabolisme is onderwerp van debat (...) Toch zal iedereen het over één aspect eens zijn: het netwerk van circa 400 reacties dat H2, CO2, NH3, H2S en fosfaat omzet in aminozuren, basen en cofactoren kan niet in één klap zijn ontstaan. De opkomst hiervan uit spontane omgevingsreacties moet via tussenliggende fasen van assemblage zijn gegaan."
De onderzoekers analyseerden de eiwitstructuren van kernenzymen voor het metabolisme in de genomen van bacteriën en archaea. Met een speciaal ontwikkeld algoritme brachten ze deze in volgorde van complexiteit om een ruwe tijdlijn op te stellen.
"We ontdekten dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder van alle cellen, LUCA (Last Universal Ancestor), enzymen bezat voor slechts ongeveer de helft van de metabole reacties," zegt Martin. "De andere helft werd gekatalyseerd door metalen in de omgeving waarin LUCA ontstond."
Vier fasen naar vrij levende cellen
Het team stelt dat er waarschijnlijk vier verschillende fasen waren in de ontwikkeling van katalyse (enzymgestuurde reacties):
- Volledige afhankelijkheid: De eerste fase vertrouwde uitsluitend op metalen in de omgeving.
- Ontwikkeling van proto-cellen: Zodra er genoeg nuttige moleculen waren opgebouwd, konden 'bijna-levende' proto-cellen (waaronder LUCA) hun eigen enzymen gaan ontwikkelen die sommige functies van de metaalkatalysatoren overnamen.
- Vermindering van afhankelijkheid: Na verloop van tijd ontwikkelden latere proto-cellen steeds meer enzymen, waardoor hun afhankelijkheid van externe metalen afnam.
- Vrij levende status: Pas wanneer ze geen externe metalen meer nodig hadden, konden ze worden beschouwd als 'vrij levende cellen'.
Cruciaal is dat dit proces pas plaatsvond nadat bacteriën en archaea zich al hadden gesplitst. Deze twee takken vonden elk hun eigen manier om dezelfde problemen op te lossen.
"We zien gevallen waarin de voorouders van bacteriën en archaea onafhankelijk van elkaar structureel verschillende enzymen hebben ontwikkeld om dezelfde essentiële metabole reactie te katalyseren," zegt Natalia Mrnjavac, eveneens bioloog aan de Heinrich Heine University Düsseldorf. "Dergelijke parallelle uitvindingen kunnen de weg hebben vrijgemaakt voor het onafhankelijke ontstaan van vrij levende bacteriën en archaea."
Een alternatief voor ATP
De studie vult mogelijk ook een ander gat in onze kennis over de oorsprong van het leven. Het molecuul ATP is tegenwoordig een vitale energiebron voor het metabolisme, maar ATP wordt gemaakt door enzymen en was dus niet beschikbaar in de prebiotische chemie. De onderzoekers hebben een alternatief geïdentificeerd.
"Wanneer we fosfiet – een vorm van fosfor die natuurlijk voorkomt in hydrothermale bronnen – laten reageren met organische verbindingen, krijgen we in water vrijwel direct metabole fosforyleringsreacties," zegt Manon Schlikker, moleculair evolutionair wetenschapper aan de Heinrich Heine University Düsseldorf. "Fosfiet en palladium vervangen hierbij ATP en enzymen; het is verbazingwekkend en maakt de vroege evolutie veel gemakkelijker te begrijpen."
Conclusie: Twee stammen in de stamboom
Als deze bevindingen worden bevestigd door verder onderzoek, moet ons beeld van de 'stamboom des levens' mogelijk worden bijgewerkt. Meestal zien we LUCA als de stam van de boom, waaraan alle andere levensvormen vertakken.
Het is echter mogelijk dat er twee volledig gescheiden stammen waren, die al bij de wortels uiteengingen voordat ze technisch gezien 'levend' waren.
***
De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
Groetjes,