Deze onbekende wetenschapper vond mogelijk de sleutel tot de oorsprong van het leven

De Hongaarse bioloog Tibor Gánti is een tamelijk onbekende figuur. Maar ruim tien jaar na zijn dood beginnen zijn ideeën over het ontstaan van het leven op aarde eindelijk gemeengoed te worden.

Door Michael Marshall
Gepubliceerd 29 dec. 2020 13:28 CET
Olieverfschilderij van de Hongaarse bioloog Tibor Gánti

Olieverfschilderij van de Hongaarse bioloog Tibor Gánti

Foto van Painting by László Gulyás

Toen bioloog Tibor Gánti op 15 april 2009 op 75-jarige leeftijd overleed, was hij allesbehalve een beroemd wetenschapper. Een groot deel van zijn carrière had zich afgespeeld achter het IJzeren Gordijn, dat Europa in tweeën deelde en decennialang de uitwisseling van ideeën tussen Oost en West verhinderde.

Maar als Gánti’s theorieën in het tijdperk van het communisme meer bekendheid hadden gekregen, zou hij nu misschien worden geprezen als een van de meest baanbrekende biologen van de twintigste eeuw. Want hij ontwikkelde een model van de eenvoudigst denkbare levensvorm, de ‘chemoton’, die een fascinerend inkijkje biedt in de wijze waarop het leven op aarde kan zijn ontstaan.

De oorsprong van het leven is een van de grootste en meest verbluffende wetenschappelijke mysteries die er zijn, deels omdat het om meerdere mysteries tegelijk gaat. Hoe zag de aarde eruit toen de eerste levensvormen ontstonden? Uit welke gassen was de atmosfeer opgebouwd? Welke chemische bestanddelen – van de duizenden die nu door levende cellen worden gebruikt – vormden de fundamentele bouwstenen voor de eerste levensvormen? En wanneer ontstonden deze essentiële bouwblokken?

De moeilijkste vraag van allemaal is misschien wel de eenvoudigste: wat was het allereerste organisme?

Voor wetenschappers die proberen om die eerste levensvonk na te bootsen, biedt de chemoton van Gánti een aantrekkelijk uitgangspunt voor hun experimenten. Als niet-levende chemische bestanddelen in staat zijn om zichzelf te rangschikken tot een chemoton, dan onthullen ze daarmee een reactiepad waarlangs het eerste leven kan zijn ontstaan. Sommige onderzoeksgroepen beginnen dit model nu verbluffend dicht te benaderen.

En voor astrobiologen die op zoek zijn naar buitenaardse levensvormen, vormt de chemoton een universele definitie van leven die niet aan specifieke chemische bestanddelen als DNA is gebonden, maar een algemeen organisatiemodel.

“Ik denk dat Gánti dieper over de fundamenten van het leven heeft nagedacht dan wie dan ook,” zegt bioloog Eörs Szathmáry van het Centrum voor Ecologisch Onderzoek in het Hongaarse Tihany.

Het begin van het leven

Over een exacte definitie van wat leven nu eigenlijk is, bestaat geen wetenschappelijke consensus, maar dat is niet omdat men daar niet naar heeft gezocht: in een studie uit 2012 worden maar liefst 123 gepubliceerde definities genoemd. Het blijkt een grote uitdaging te zijn om zo’n definitie te formuleren, eentje die alle levensvormen omvat en tegelijkertijd alle niet-levende dingen met ‘levendige’ eigenschappen (bijvoorbeeld vuur en auto’s) uitsluit. Veel definities berusten op het vermogen van levende organismen om zichzelf te reproduceren. Maar in zijn eentje kan een konijn, mens of walvis zich niet voortplanten.

In 1994 omschreef een comité van de NASA het leven als “een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot Darwinistische evolutie.” Daarbij kan het woord ‘systeem’ een afzonderlijk organisme, een populatie of kolonie of zelfs een heel ecosysteem betekenen – waarmee het probleem van de reproductie wordt omzeild, maar dan wel ten koste van een duidelijker definitie.

Wat maar weinig mensen in 1994 wisten, was dat Gánti twintig jaar eerder al een heel andere manier had ontdekt om dit probleem te benaderen.

Tibor Gánti werd in 1933 geboren in het stadje Vác in Centraal-Hongarije. Zijn jeugdjaren stonden in het teken van oorlog: tijdens de Tweede Wereldoorlog sloot Hongarije zich aan bij nazi-Duitsland, waarna het land in 1945 werd bezet door de Sovjet-Unie. Het totalitaire communisme zou decennialang over Oost-Europa heersen en zoals de meeste Oost-Europese landen werd ook Hongarije een satellietstaat van Moskou.

Gefascineerd door het wezen van alle levende organismen, studeerde Gánti chemische technologie en specialiseerde zich daarna in de industriële biochemie. In 1966 publiceerde hij een boek over moleculaire biologie met de titel Forradalom az élet kutatásában, ‘Revolutie in levensonderzoek’, dat jarenlang als handboek op universiteiten werd gebruikt – deels omdat er geen andere beschikbaar waren. In zijn boek vroeg Gánti zich af of de wetenschap eigenlijk wel begreep hoe het leven op aarde was georganiseerd en het antwoord op die vraag luidde volgens hem: nee.

In 1971 behandelde Gánti het probleem in een apart boek, Az élet princípiuma, oftewel ‘De principes van het leven’. Het werk verscheen alleen in het Hongaars en bevatte de eerste versie van zijn ‘chemoton’-model, waarmee hij de volgens hem fundamentele basiseenheid van het leven beschreef. Maar dit vroege model van de chemoton was nog niet volledig en het zou hem nog eens drie jaar kosten voordat hij de definitieve versie zoals we die nu kennen publiceerde – opnieuw alleen in het Hongaars en in een tijdschrift dat niet online beschikbaar is.

Annus mirabilis

Het jaar 1971 was internationaal gezien een doorbraak voor het onderzoek naar de oorsprong van het leven. Naast het nog onbekende werk van Gánti introduceerden wetenschappers nog twee andere belangrijke theoretische modellen.

De eerste werd opgesteld door de Amerikaanse theoretisch bioloog Stuart Kauffman, die stelde dat levende organismen in staat moeten zijn om kopieën van zichzelf te maken. Door te bestuderen hoe dit zou kunnen functioneren vóórdat er cellen ontstonden, begon hij zich te richten op chemische verbindingen.

In het gedachtenexperiment van Kauffman wordt de vorming van een chemische verbinding B aangedreven door een chemische verbinding A. Op zijn beurt zorgt B voor de vorming van de chemische verbinding C en zo voort, totdat er iets in de keten gebeurt waardoor er een nieuwe versie van de verbinding A ontstaat. Na één cyclus bestaan er dus twee kopieën van elke groep bestanddelen. Als er genoeg grondstoffen aanwezig zijn, zal de volgende cyclus vier gelijke kopieën van elke verbinding opleveren, waarna het aantal kopieën exponentieel zal toenemen.

Kauffman noemde zo’n groep van kopieën een “autokatalytische set” en meende dat zulke groepen van chemische verbindingen de basis zouden kunnen zijn voor de allereerste levensvorm, omdat de sets steeds complexer zouden worden en uiteindelijk een reeks zeer complexe moleculen zouden voortbrengen, zoals DNA.

Het tweede idee, van de Duitse chemicus Manfred Eigen, beschrijft een zogenaamde “hypercyclus”, waarin meerdere autokatalytische sets worden gecombineerd tot één grotere set. Eigens variant verschilt op een belangrijk punt van Kauffmans idee: in een hypercyclus zijn sommige van de chemische bestanddelen genen en dus gemaakt van DNA of een ander nucleïnezuur, terwijl andere bestaan uit proteïnen die op basis van de informatie in de genen ‘op bestelling’ worden aangemaakt. Dit systeem zou zich hebben kunnen ontwikkelen op basis van veranderingen (mutaties) in de genen, een functie die in het model van Kauffman ontbreekt.

Gánti was onafhankelijk op een soortgelijk idee gekomen, maar hij ging een stap verder. Hij stelde dat er twee fundamentele processen moeten plaatsvinden om van een levensvorm te kunnen spreken. Ten eerste moet de levensvorm zijn eigen lichaam kunnen bouwen en in stand houden, oftewel een metabolisme hebben. Ten tweede moet het een of ander systeem hebben waarmee informatie wordt opgeslagen, zoals één of meerdere genen, zodat die informatie gekopieerd kan worden en aan de volgende generatie kan worden doorgegeven.

De eerste versie van Gánti’s model bestond in feite uit twee autokatalytische sets met verschillende functies die een combinatie met elkaar aangingen om een grotere autokatalytische set te vormen – vergelijkbaar dus met de hypercyclus van Eigen. Maar een jaar later werd Gánti tijdens een interview door een journalist op een fundamentele fout in het model gewezen. Gánti nam aan dat de twee systemen berustten op chemische bestanddelen die in water rondzweven. Maar in dat geval zouden deze bestanddelen zonder invloed van buitenaf van elkaar wegdrijven en zou de chemoton “sterven.”

De enige oplossing voor dat probleem was de toevoeging van een derde systeem: een omhullende schil die de beide sets bij elkaar hield. In levende cellen is dat een membraan van vetachtige chemicaliën genaamd lipiden. De chemoton moest wel zo’n barrière hebben om bij elkaar te blijven, waarop Gánti tot de slotsom kwam dat zijn basisorganisme ook autokatalytisch moest zijn om zichzelf in stand te houden en te groeien.

Hij kon nu het volledige model van de chemoton beschrijven, zijn concept voor de eenvoudigst denkbare levensvorm, waarin genen, metabolisme en een membraan onverbrekelijk met elkaar waren verbonden. Het metabolisme zorgt voor de bouwstenen waarvan de genen en het membraan worden gemaakt, terwijl de genen het membraan beïnvloeden. Samen vormen ze een zichzelf reproducerende eenheid: een cel die zó simpel is dat hij niet alleen op relatief eenvoudige wijze op aarde zou kunnen ontstaan, maar zelfs zou kunnen leiden tot andere biochemische processen op buitenaardse werelden.

Vergeten model

“Gánti wist het leven heel goed te definiëren,” zegt synthetisch bioloog Nediljko Budisa van de University of Manitoba in Winnipeg, Canada. “Het was een openbaring om zijn artikel te lezen.” Maar Budisa ontdekte het werk van Gánti pas rond 2005. Buiten Oost-Europa was het decennialang onopgemerkt gebleven en er waren slechts een handvol Engelse vertalingen van gedrukt.

De chemoton dook in 1987 op in een nogal slordige Engelse vertaling, zegt James Griesemer van de University of California in Davis. Weinig mensen namen er notie van. Later behandelde Szathmáry de chemoton uitgebreid in zijn boek The Major Transitions in Evolution (1995), dat hij samen met John Maynard Smith had geschreven. Dat leidde tot een nieuwe Engelse vertaling van Gánti’s boek uit 1971, met inbegrip van aanvullend materiaal, dat in 2003 verscheen. Maar nog altijd bleef de chemoton een obscuur wetenschappelijk begrip en zes jaar later was Gánti overleden.

Tot op zekere hoogte deed Gánti niet erg z’n best om zijn model aan de man te brengen: hij stond bekend als een lastige collega. Volgens Szathmáry wilde Gánti van geen kritiek op zijn model weten en was hij bovendien tamelijk paranoïde, waardoor hij “onmogelijk was om mee samen te werken.”

Maar het grootste probleem wat betreft het chemoton-model was dat het onderzoek in de laatste decennia van de twintigste eeuw een trend vertoonde waarbij de complexiteit van het leven steeds verder tot nóg minimalistischer fundamenten werd teruggebracht.

Zo luidt een van de meest vooraanstaande hypothesen, die ook tegenwoordig nog in zwang is, dat het leven uitsluitend begon als RNA, de nauwe verwant van DNA.

Net als zijn beroemdere moleculaire tegenhanger kan RNA erfelijke informatie opslaan. Belangrijker nog is dat RNA ook als enzym kan functioneren en chemische reacties kan versnellen, waardoor veel vooraanstaande experts menen dat de allereerste levensvormen uitsluitend RNA nodig hadden om op gang te komen. Maar deze hypothese, die onder de naam ‘RNA-wereld’ bekend staat, wordt de laatste tijd steeds vaker ter discussie gesteld, vooral omdat de wetenschap nog altijd niet een type RNA heeft ontdekt dat zichzelf zonder hulp van buitenaf kan reproduceren; zo hebben RNA-virussen (zoals het nieuwe coronavirus) menselijke cellen nodig om zichzelf te kunnen vermeerderen.

Andere onderzoekers stellen dat het leven begon met niets anders dan eiwitten of met uitsluitend lipiden. Dergelijke ideeën zijn ver verwijderd van Gánti’s meer integrale benadering.

Een ‘levensecht’ chemoton?

Maar in deze eeuw zijn wetenschappers een andere weg ingeslagen. Onderzoekers richten zich meer en meer op de wijze waarop organische verbindingen samenwerken en op de vraag hoe deze samenwerkingsverbanden kunnen zijn ontstaan.

Sinds 2003 hebben Jack Szostak van de Harvard Medical School en zijn collega’s steeds levensechter ‘protocellen’ ontwikkeld: simpele versies van cellen die een aantal chemische verbindingen bevatten. Deze protocellen kunnen groeien en zich delen, wat betekent dat ze zichzelf kunnen vermeerderen.

In 2013 wisten Szostak en zijn toenmalige studente Kate Adamala RNA-moleculen ertoe aan te zetten om binnenin een protocel kopieën van zichzelf te maken. Bovendien konden ze de genen en het membraan aan elkaar koppelen: terwijl het RNA zich binnenin opbouwt, wordt er druk op het membraan uitgeoefend, waardoor de protocel groter wordt.

Szostaks onderzoek “doet erg denken aan dat van Gánti,” zegt synthetisch biologe Petra Schwille van het Max-Planck-Institut für Biochemie in het Duitse Planegg-Martinsried. Ze wijst ook op het werk van Taro Toyota aan de Universiteit van Tokio, die lipiden binnenin een protocel heeft gemaakt, zodat de protocel zijn eigen membraan kan bouwen.

Een van de argumenten tegen het idee van een chemoton als eerste basisvorm van het leven is dat deze eenheid zoveel verschillende chemische verbindingen nodig heeft, waaronder nucleïnezuren, eiwitten en lipiden. Veel experts denken dat het niet erg waarschijnlijk is dat deze chemische substanties allemaal uit het basismateriaal kunnen voortkomen dat op een bepaalde plek voorhanden is, vandaar dat ze meer zien in gereduceerde omgevingen als de RNA-wereld.

Maar onlangs hebben biochemici aanwijzingen gevonden voor de mogelijkheid dat alle belangrijke verbindingen voor het ontstaan van het leven uit enkele eenvoudige basismaterialen kunnen voortkomen. In een studie die afgelopen september is verschenen, presenteren onderzoekers onder leiding van Sara Szymkuć, destijds verbonden aan de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau, een overzicht van de gegevens van tientallen jaren aan experimenten die werden verricht om de chemische bouwstenen van het leven te creëren. Szymkuć ontdekte dat ze met slechts zes eenvoudige chemische componenten, zoals methaan en water, tienduizenden belangrijke ingrediënten voor het leven kon creëren, waaronder de bouwstenen voor eiwitten en RNA.

Bij geen van deze experimenten is men er tot nu toe in geslaagd een ‘levensechte’ chemoton te creëren. Dat komt misschien omdat het gewoon erg moeilijk is of misschien omdat de exacte formule voor Gánti’s vinding niet overeenkomt met het ontstaansproces van het eerste leven op aarde. Wat de chemoton echter wél biedt, is een nieuwe benadering van de vraag hoe de bouwstenen van het leven zouden kunnen samenwerken, een benadering die door steeds meer onderzoekers naar het ontstaan van het leven wordt gekozen.

Volgens Szathmáry is het veelzeggend dat het aantal verwijzingen naar Gánti’s werk nu zienderogen toeneemt. Ook al komen de details van zijn model misschien niet helemaal overeen met de werkelijkheid, de huidige benadering in het onderzoek komt sterk overeen met wat hij op het oog had: een geïntegreerde zienswijze waarbij niet alleen wordt gekeken naar slechts één van de basissystemen van het leven.

“Het leven bestaat niet uit eiwitten of RNA of lipide dubbellagen,” zegt Griesemer. “Wat het dan wél is? Het is dat allemaal tegelijk, in elkaar gehaakt en op de juiste manier georganiseerd.”

Wetenschapsjournalist Michael Marshall woont in het Engelse Devon. Onlangs verscheen zijn boek The Genesis Quest, over de oorsprong van het leven op aarde. Volg Michael op Twitter.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com.

Lees verder

7 hoopvolle ontwikkelingen voor het milieu in 2020

Van plannen om meer elektrische voertuigen te produceren tot nieuwe beschermingsmaatregelen op zee: deze trends zouden een voorteken kunnen zijn voor de mooie dingen die ons te wachten staan.

Versteend tandplak onthult: Filistijnen waren gek op exotisch eten

Onderzoek bij mensen die meer dan 3000 jaar geleden in het huidige Israël zijn begraven toont verrassend genoeg aan dat Aziatische producten zoals soja en kurkuma op het menu stonden.
Lees meer