Basale stofwisseling in ‘levende’ moleculen

(Er is ook een Engelse versie van dit bericht)

In een systeem met zelfreplicerende moleculen – die eerder lieten zien dat ze kunnen groeien, delen en veranderen – hebben scheikundigen van de RUG nu het vermogen tot katalyse ontdekt, waardoor ze een basale stofwisseling hebben. Bovendien bleek het mogelijk een lichtgevoelige kleurstof aan de moleculen te koppelen, waardoor ze lichtenergie kunnen gebruiken om te groeien. Deze twee ontdekkingen, die kunstmatig leven een stap dichterbij brengen, zijn op 26 juni gelijktijdig gepubliceerd in de tijdschriften Nature Chemistry en Nature Catalysis.

Tien jaar geleden ontdekte Sijbren Otto, hoogleraar systeemchemie bij het Stratingh Instituut voor chemie van de RUG, een nieuwe mechanisme voor zelfreplicatie: kleine moleculen op basis van peptiden in oplossing vormden spontaan ringetjes die vervolgens stapels werden. Wanneer zo’n stapel breekt beginnen beide helften weer te groeien. Bovendien onttrekt de vorming van de stapels ringetjes aan de oplossing, wat ontstaan van nieuwe ringen uit de kleine moleculaire bouwstenen stimuleert. Het systeem kan zelfs ‘muteren’ door er andere bouwstenen aan toe te voegen.

Ontdekking

Dit systeem, dat spontaan ontstond, is een vorm van proto-leven. ‘De definitie van leven is ingewikkeld, maar in zijn algemeenheid kun je zeggen dat leven drie basiseigenschappen heeft’, legt Otto uit. ‘De eerste is replicatie en dat gebeurt al in ons systeem. De tweede is stofwisseling, het maken van bouwstenen van materialen uit de omgeving. En de derde eigenschap is compartimentalisatie, een scheiding tussen het levende organisme en de omgeving.’ Ten slotte moeten organismen ook nog een vierde, meer geavanceerde eigenschap ontwikkelen, namelijk het vermogen om nieuwe eigenschappen te evolueren.

Otto en zijn team begonnen veranderingen aan te brengen in de moleculen om ze katalytische eigenschappen te geven. ‘Maar toen we met dit project begonnen, deden we een bijzondere ontdekking. Zonder aanpassingen bleek het systeem al katalyse te vertonen, we hadden dat alleen nog nooit opgemerkt.’ De stapels groeien uit ringetjes die bestaan uit zes identieke bouwstenen. Die ringen vormen zich uit kleinere ringen, van drie of vier bouwstenen, die met elkaar combineren.

Evolutie

‘We zagen dat de stapels de vorming van de kleinere ringen katalyseerden’, zegt Otto. Verder onderzoek liet zien dat voor de katalyse van deze reactie twee specifieke aminozuren (twee lysines) aanwezig moeten zijn. ‘Noch de bouwstenen zelf, noch de afzonderlijke ringetjes hebben dit katalytisch vermogen, alleen de stapels. Dus we gaan er vanuit dat in de stapels een 3D configuratie van de lysine aminozuren ontstaat die een katalytisch centrum vormt, net zoals eiwitten een actief centrum vormen door bepaalde aminozuren in een zeer specifieke positie ten opzichte van elkaar te brengen’, legt Otto uit. Op dezelfde manier worden de aminozuren in de structuur die ontstaat bij de zelfreplicatie van de stapels zodanig gepositioneerd dat ze katalytische eigenschappen krijgen.

De stapels zijn bovendien ook nog in staat tot de zogeheten retro-aldol katalyse, een bekende reactie die vaak is gebruikt als kwaliteitstest bij het ontwerpen van nieuwe enzymen. ‘Interessant is dat onze stapeltjes, die nooit zijn ontworpen om katalytisch te zijn, deze reactie net zo efficiënt versnellen als de beste ontworpen katalysatoren die ik ken.’ Het is ook interessant dat de stapels dus twee verschillende reacties kunnen katalyseren. Dat is een eigenschap die veel natuurlijke enzymen ook hebben, en die evolutie de kans geeft nieuwe enzymen te ontwikkelen.

Stofwisseling

In een tweede onderzoek is een lichtgevoelige kleurstof toegevoegd aan de moleculen. ‘Guille Monreal, een van mijn promovendi, las dat zo’n kleurstof de vorming van reactief singletzuurstof kan stimuleren in amyloïde peptiden. Aangezien reactief zuurstof zorgt voor een belangrijke stap in de vorming van de ringetjes wilde hij uitzoeken of de kleurstof dit proces zou versnellen.’ Twee verschillende kleurstoffen bleken in combinatie met licht inderdaad de vorming van ringen te versnellen, maar alleen wanneer ze gebonden waren aan de stapeltjes. ‘De kleurstof gedraagt zich als een cofactor bij de stapeltjes, net zoals enzymen cofactoren gebruiken voor katalyse’, zegt Otto. Wanneer de kleurstof aan de replicerende stapeltjes gebonden is kan deze lichtenergie gebruiken om reactief singletzuurstof te maken en zo de aanmaak van nieuwe ringen te versnellen.

Zowel de spontane katalyse door de stapeltjes als de katalyse met de kleurstof als cofactor zorgen voor een soort stofwisseling die gekoppeld is aan de replicatie. ‘Het is nog niet helemaal het soort stofwisseling dat je ziet in organismen’, legt Otto uit. ‘In ons systeem versnelt de katalyse een reactie die anders ook zou plaatsvinden, maar dan trager. In levende organismen zorgt de stofwisseling voor reacties die anders helemaal niet zouden gebeuren.’

Kunstmatig leven

Toch vertoont het systeem van Otto zowel replicatie als een primitieve vorm van stofwisseling. ‘Bovendien is de stap naar compartimentalisatie nu relatief klein.’ Dus is het moment waarop er leven in zijn reageerbuizen ontstaat dichtbij? ‘Nog niet helemaal’, geeft Otto toe. ‘Daarvoor zou het systeem in staat moeten zijn tot open-einde evolutie, wat betekent dat het eigenschappen kan ontwikkelen die nog niet in het systeem aanwezig zijn. Op dit moment weten we nog niet hoe dat zou kunnen gebeuren. Maar ons systeem is een solide basis om dat punt te bereiken.’

Een video over het onderzoek is hier te bekijken:

Referenties:

1. Jim Ottelé, Andreas S. Hussain, Clemens Mayer, Sijbren Otto: Chance Emergence of Catalytic Activity and Promiscuity in a Self-Replicator. Nature Catalysis 26 juni 2020. DOI 10.1038/s41929-020-0463-8
2. Guillermo Monreal Santiago, Kai Liu, Wesley R. Browne, Sijbren Otto: Emergence of light-driven protometabolism upon recruitment of a photocatalytic cofactor by a self-replicator. Nature Chemistry 26 juni 2020. DOI 10.1038/s41557-020-0494-4