Daniel X D/Shutterstock
De moderne natuurkunde kan alles verklaren, van de spin van het kleinste deeltje tot het gedrag van hele sterrenstelselclusters. Maar het kan geen leven verklaren. Er is eenvoudigweg geen formule die het verschil tussen een levende en een dode klomp materie verklaart. Leven lijkt op mysterieuze wijze te “ontstaan” uit niet-levende delen, zoals elementaire deeltjes.
De assemblagetheorie is een gedurfde nieuwe benadering om leven op fundamentele schaal te verklaren, waarvan het raamwerk onlangs is gepubliceerd in Nature. Het gaat ervan uit dat complexiteit en informatie (zoals DNA) de kern vormen. De theorie biedt een manier om te begrijpen hoe deze concepten ontstaan in chemische systemen.
Emergentie is een woord dat natuurkundigen gebruiken om iets te verklaren dat groter is dan de som der delen – zoals hoe water nat kan aanvoelen terwijl individuele watermoleculen dat niet doen. Natheid is een emergente eigenschap.
Hoewel de wiskunde elegant is, kan de theorie uiteindelijk alleen betrouwbaar zijn als deze wordt getest in het lab. Zorgvuldig ontworpen experimenten, zoals degene die mijn collega’s en ik nu uitvoeren, zullen essentieel zijn om de abstracties van de assemblagetheorie in de chemische werkelijkheid te verankeren.
De kern van de assemblagetheorie is het idee dat objecten niet gedefinieerd kunnen worden als onveranderlijke entiteiten, maar door de geschiedenis van hoe ze gevormd zijn. Dit verlegt de aandacht naar de processen waarmee complexe configuraties worden opgebouwd uit eenvoudigere bouwstenen.
Bouwstenen kunnen net als lego in elkaar worden gezet om moleculen van het leven te creëren.
Beeldcredit Dr Anna Tanczos, Sci – Comm Studios., CC BY-SA
De theorie stelt een “assemblage-index” voor die de minimale stappen, of kortste weg, kwantificeert die nodig zijn om een object te bouwen. Deze maat houdt de mate van “selectie” bij die nodig is om een ensemble van objecten te maken – verwijzend naar het geheugen, zoals DNA, dat nodig is om levende wezens te maken.
Levende dingen ontstaan immers niet zomaar spontaan, zoals helium in sterren. Ze hebben DNA nodig als blauwdruk voor het maken van nieuwe versies.
Voorspellingen van nieuwheid
Maar hoe kunnen deze theoretische constructies eigenlijk experimenteel getest worden?
Eén belangrijk aspect van de assemblagetheorie is al getest in ons laboratorium. Dat is de bepaling van de assemblage-index met behulp van massaspectrometrie (een analytisch instrument dat de massa/ladingsverhouding in moleculen kan meten).
Door moleculen te fragmenteren en hun massaspectra te analyseren, kunnen we hun assemblage-index schatten. We kunnen letterlijk zien hoeveel stappen er nodig zijn voor verschillende fragmenten om samen een bepaald molecuul te vormen. De assemblage-index kan ook worden gemeten met andere technieken, infraroodspectroscopie en NMR-spectroscopie voor verschillende soorten moleculen.
We hebben de assemblage-index bepaald voor een reeks moleculen, zowel in het laboratorium als computationeel. Ons werk laat zien dat moleculen die geassocieerd worden met leven, zoals hormonen en metabolieten (producten van metabolische reacties), inderdaad complexer zijn en meer informatie nodig hebben om te assembleren dan moleculen die niet uniek geassocieerd worden met leven, zoals koolstofdioxide. We hebben zelfs aangetoond dat een assemblage-index van meer dan 15 stappen alleen wordt gevonden in moleculen die geassocieerd worden met leven – precies zoals de theorie suggereert.
De theorie biedt ook toetsbare inzichten in de oorsprong van het leven. Er is namelijk een punt waarop moleculen zo complex worden dat ze informatie gaan gebruiken om kopieën van zichzelf te maken – waardoor ze plotseling geheugen en informatie nodig hebben – een soort drempel waarbij leven uit niet-leven ontstaat.
Uiteindelijk is het mogelijk om selectie en minimaal geheugen te hebben in niet-biologische systemen (zoals hoe onze Zon de planeten vormde door een ton massa samen te trekken). Maar je kunt geen levende organismen krijgen of de technologie die ze creëren – of dat nu lego of raketwetenschap is – zonder een hoog niveau van geheugen en selectie.
Chemische soep
We zijn van plan om deze oorsprong van het leven nader te onderzoeken door een soort chemische soep te creëren in ons lab. In deze soep kunnen gloednieuwe moleculen in de loop van de tijd worden gecreëerd, door verschillende reactanten toe te voegen of door toeval, terwijl we hun assemblage-index en de groei van het systeem in de gaten houden. Door reactiesnelheden en omstandigheden af te stemmen, kunnen we dat fascinerende overgangspunt van niet-leven naar leven bestuderen – en leren of het de voorspellingen van de assemblagetheorie volgt.
We ontwerpen ook “chemische soepgeneratoren”, die eenvoudige chemicaliën samenvoegen om complexe chemicaliën te vinden. Deze kunnen ons begrip vergroten van hoe complexiteit kan worden opgebouwd met behulp van assemblagetheorie en hoe selectie buiten de biologie kan worden geïnitieerd.
Dit zou iets aan het licht kunnen brengen over hoe het leven in eerste instantie evolueerde, beginnend met minimale selectie en vervolgens steeds meer vereisend. Worden objecten onder identieke omstandigheden op voorspelbare wijze opgebouwd? Of komt er op een gegeven moment willekeur in het spel? Dit zou ons helpen te begrijpen of het ontstaan van leven deterministisch en voorspelbaar is, of meer chaotisch.
Leven is bijzonder.
jinnawat tawong/Shutterstock
Dit betekent dat de assemblagetheorie veel breder toepasbaar is. Naast moleculen zou het raamwerk kunnen inspireren tot studies naar andere systemen die afhankelijk zijn van combinaties, zoals materiaalaggregaten, polymeren of kunstmatige chemie. Dit kan leiden tot nieuwe wetenschappelijke inzichten of technologische uitvindingen. Het kan subtiele patronen onthullen waarbij moleculen boven een bepaalde assemblage-index onevenredig veel bepaalde eigenschappen bezitten.
We zouden de theorie ook kunnen gebruiken voor gedetailleerde studies van de evolutie zelf. Onderzoek zou kunnen nagaan hoe fragmenten van cellen bestaan in het proces van het vormen van een totale cel, voortkomend uit kleinere moleculen die zich combineren tot aminozuren en nucleotiden. Het op deze manier volgen van het ontstaan van metabole en genetische netwerken kan aanwijzingen geven over overgangen in de evolutionaire geschiedenis.
Experimentele testen vormen echter een uitdaging. Nagaan hoe objecten in elkaar zitten vereist nauwkeurige experimentele controle.
Maar het kan de moeite waard zijn. Assemblagetheorie belooft een radicaal nieuw begrip van materie – het kan universele principes van hiërarchische constructie blootleggen die de biologie overstijgen.
Complexe configuraties van materie zijn misschien geen onveranderlijke objecten, maar tussenpunten in een open proces van constructie dat zich door de tijd voortplant. Het universum gehoorzaamt misschien aan bepaalde natuurkundige wetten, maar is uiteindelijk creatief.
Lee Cronin ontvangt financiering van de EPSRC, Templeton Foundation, DARPA, ERC, industrie.
