Zondag 20/10/2019

Wetenschap

De wonderlijke zoektocht naar synthetische cellen – en de oorsprong van het leven

Beeld rv

Kunstmatige microben die doodse planeten leven inblazen, bacteriën die je kunt teleporteren, een aliendetector die aanslaat bij exotisch leven. In het wonderlijke, jonge vakgebied van de synthetische biologie is de sciencefiction nooit ver weg, vertelt de scheikundige Kate Adamala van het College of Biological Sciences aan de Amerikaanse University of Minnesota. Onlangs was ze in het Nederlandse Delft voor een symposium over synthetische cellen.

1. De sterren

Geen signaal. Dat zul je nu altijd zien. Hadden ze eindelijk hun experiment aan boord van een raket in een baan om de aarde gekregen, en deed de camera het niet. Ze moeten hebben gevloekt, gestampvoet, geslagen tegen hun beeldscherm, daar aan de universiteit van Minnesota.

Totdat iemand een rood hoofd kreeg. 'O shit, dat snoertje van de camera: vergeten in te pluggen in alle hectiek. Zou jij dat niet doen? Nee, jij toch?' En nu raasde het experiment, uniek in zijn soort, door het donkere zwerk. Binnenin gebeurde iets wat nog nooit in de ruimte is gebeurd. Maar niemand die het zag.

"Daar leren we dan weer van, voor de volgende keer", zegt onderzoeksleider Kate Adamala mild glimlachend. "We weten dat ons experiment het heeft gedaan. Want bij terugkeer was precies gebeurd wat we hadden gehoopt: er waren in die satelliet eiwitten ontstaan. Onze cellen hadden gewerkt."

Op het symposium voor synthetische cellen BaSyc in het Nederlandse Delft
(zie kader) is de kleine Poolse een opvallende verschijning. Geheel in het zwart gekleed, nog maar 34 jaar, en toch al een van de interessantste sprekers van de dag. Zij was het die met haar team een doosje kunstmatige cellen de ruimte in stuurde, en ze daar iets liet doen wat normaal gesproken alleen levende wezens doen: eiwitten aanmaken. Voor het eerst stuurden aardbewoners een kunstmatige levensvorm de ruimte in, zou je met wat fantasie kunnen zeggen.

Hadden ze dat stomme snoertje nu maar ingeplugd.

Kate Adamala: de naam doet onwillekeurig denken aan die van bevelhebber Adama van Battlestar Galactica. Ze lacht hartelijk als je dat zegt: "Ik ben fan! Altijd geweest. Ik was zo'n kind dat gek was van sciencefiction. En toen me opviel dat al die ruimteschepen een astrobioloog aan boord hebben, dacht ik: dát wil ik later worden."

Vandaar dat ze net zo makkelijk praat over aromatische koolstofringen of de chemische details van bepaalde enzymen als over teleportatie, zeeleven op de manen van Jupiter en het bewoonbaar maken van Mars.

Maar wacht: eerst nog even die raket. En die synthetische cellen.

"Ze leven niet. Absoluut niet", bezweert Adamala. "Het zijn microscopische belletjes die eiwitten maken, meer niet. Vetmembraantjes met een systeempje erin dat eiwitten maakt. En afhankelijk van hoe je ze ontwerpt, kun je ze verschillende eiwitten laten maken."

En dat is handig. Want het langetermijndoel, vertelt ze, is dat de cellen mee de ruimte in gaan, als een soort draagbare medicijnfabriek. "Naar een maanbasis. Of misschien naar Mars. Overal waar astronauten langdurig fysiek geïsoleerd zijn van de aarde. Je kunt je voorstellen dat dan soms medische problemen ontstaan die niemand had voorzien. En je kunt niet even naar de apotheek om het medicijn of het voedingssupplement dat je nodig hebt op te halen."

Dus grijpt de zieke astronaut naar de kunstmatige cellen, stelt ze zich voor. Een koffertje met daarin een 'bibliotheek' van ingevroren vetblaasjes. Of misschien zelfs gewoon een velletje papier waarop ze gedroogd zitten vastgeplakt. Door de synthetische cellen in de juiste volgorde wakker te maken en ze stukken eiwit te laten maken, moet het te doen zijn om het medicijn te bereiden, ziet ze voor zich. "Het zal niet enorm efficiënt zijn. Maar zolang het gaat om kleine hoeveelheden, zouden de cellen weleens een uitstekende oplossing kunnen zijn."

In haar Ted Talk – welke wetenschapper met een spannend verhaal heeft er níét een online staan – begint ze op dit punt over teleportatie, het op afstand 'overstralen' van levende wezens. En ja, waarom ook niet.

"Momenteel moet je, om biologisch materiaal te verplaatsen, dat biologische materiaal ook echt fysiek van de ene naar de andere plek brengen", legt ze uit. "Maar bij synthetische cellen kun je de instructies hoe je ze maakt digitaliseren en naar de ruimte zenden, waar je de cellen dan ter plekke maakt. Zo teleporteren we straks letterlijk biologie."

2. Het leven

Wat is leven eigenlijk? Een pakketje moleculen dat zichzelf op gang houdt? Pulk een willekeurig levend wezen uit elkaar en dit is wat je overhoudt: losse cellen, met daarin een harde schijf met instructies (het DNA) en eromheen moleculen en celonderdelen die de instructies aflezen en er eiwitten mee maken. Niet de mammoet, de dinosaurus of de mens, maar de nietige cel is het fundament waarop het leven voortbouwt.

Vandaar dat onderzoekers zoals Adamala proberen cellen na te maken. Hier is het niemandsland waar dode materie op de een of andere manier ophoudt dood te zijn, waar de wereld van de losse moleculen geleidelijk overvloeit in die van de levende microben. Ook bij ons proberen wetenschappelijke instellingen 
'synthetisch leven' te maken. Om de cel beter te begrijpen, nieuwe scheikunde te verkennen en, wie weet, futuristische toepassingen te testen zoals synthetische bacteriën die bij een infectie niet ziek maken maar juist beter.

"De individualiteit van de cel heeft grote voordelen", vertelt Adamala. "Cellen zijn in feite kleine, afzonderlijke bioreactorvaatjes. Je kunt ze met elkaar combineren, er verschillende functies in bouwen, ze met elkaar laten interageren. En je kunt ze beter in aanraking brengen met bijvoorbeeld het menselijk lichaam. Liposomen (synthetische vetblaasjes, red.) zoals de onze overleven een behoorlijke tijd in de bloedbaan."

Leuk, maar léven ze ook? Adamala vindt van niet, haar cellen kunnen zich immers niet voortplanten. Toch zijn er ook definities die de synthetische cellen wel degelijk tot het leven rekenen, weet ze, omdat haar eiwit producerende vetblaasjes wel een stofwisseling hebben.

"Lastig", vindt ze dat. "En de vraag wat leven is, speelt op naarmate we meer te weten komen over het zonnestelsel. Bij de Saturnus-maan Enceladus en de Jupiter-maan Europa wordt nu al organische materie aangetroffen. Maar hoe bepaal je of het duidt op leven? Een klein groen mannetje dat naar je terugzwaait als je langsvliegt, gaat het niet worden. Veel waarschijnlijker is dat we een mengsel van organische ingrediënten vinden, dat tegen de tijd dat we het in handen krijgen morsdood is. En uit die losse spullen moet je dan afleiden of deze dode materie ooit leefde."

Haar lab denkt daarom samen met dat van de Britse biochemicus Lee Cronin na over een 'Life-o-meter' – zeg maar, een aliendetector. "We weten dat de biochemie van levende wezens veel complexer is dan die van levenloze systemen. Zou er ergens een fundamentele drempel zijn in complexiteit, een punt waarbij de scheikunde 'overkookt' en steeds ingewikkelder en grotere verbindingen aflevert? We hopen ergens een scheikundige eigenschap te vinden die eruitspringt, en die je kunt meten, ongeacht wat voor soort systeem je bekijkt."

Kate Adamala. Beeld RV

Want je mag niet uitsluiten dat buitenaardse wezens op een diepzinnige manier anders in elkaar steken dan het leven op aarde, zegt Adamala. Misschien heeft het een voorkeur voor andere 'smaken' atomen dan het leven op aarde, of draait het op moleculen die spiegelbeeldig staan ten opzichte van die in onze cellen. Van buitenaf zou je gewoon een slijmplak microben zien, maar bij nadere analyse zouden wetenschappers van hun stoel vallen: deze levensvorm draait op een scheikundedoos met andere onderdelen.

3. De anderen

Diep daar beneden. Onder de rotsen. Ver onder de zeebodem. Diep in de aarde, waar het heet is en het vulkaangassen wasemt. Dáár zouden ze weleens kunnen zitten.

"Het idee is controversieel en niet bewezen", zegt Adamala, op de formele toon van iemand die een bijsluitertekst voorleest. "Maar het is niet onmogelijk dat ergens op aarde een levensvorm bestaat die in feite een apart systeem van biochemie vertegenwoordigt. Een ándere levensvorm. In een omgeving die fysiek is afgesloten van de rest van de aardse biosfeer."

Buitenaards leven op aarde, diep onder onze voeten. Het zou "volstrekt fascinerend" zijn om het te vinden, zegt Adamala. "Want het diepe raadsel is dat alle biologie die we kennen uiteindelijk is gebaseerd op maar één vorm van leven, één systeem. Dat kan betekenen dat er maar één systeem bestaat. Maar veel logischer is dat er op de vroege aarde meerdere momenten zijn geweest waarop het leven is ontstaan, op subtiel verschillende manieren, en dat wij de nakomelingen zijn van het enige systeem dat is overgebleven. Maar het zou natuurlijk volstrekt fascinerend zijn als we ergens een andere levensboom zouden vinden."

Voorlopig maken wetenschappers zoals Adamala die andere levensvorm maar zelf. Misschien zijn de astronauten die straks als eerste een andere planeet koloniseren wel kunstmatige cellen, speculeert ze.

Op een planeet als Mars zou je ze vooruit kunnen sturen, om delen van de omgeving leefbaar te maken. De synthetische microbes zouden de dampkring verdikken en aardser maken, door CO2 en zuurstof uit te wasemen – een uit de sciencefiction beroemd fenomeen dat 'terravorming' heet.

En dan, erheen?

Adamala kijkt opeens een beetje geschrokken. "O, nee. Dat is niets voor mij", zegt ze. "Ik vind het al onprettig om een week op reis te zijn. Ik verken de ruimte het liefst met mijn ogen."

Een nieuwe episode in de wetenschap

Spontaan vormende cellen. Lege bacterieomhulsels met chemische fabriekjes erin. Kunstmatige elastiekjes die cellen doormidden knijpen.

Voor de betere sciencefiction moeten we bij BaSyc (Building a Synthetic Cell) zijn, een onderzoeksconsortium van vijf Nederlandse universiteiten plus het Amsterdamse natuurkunde-instituut Amolf dat probeert een synthetische cel te bouwen. Het doel is dat zulke kunstmatige bacteriën ooit werkpaard kunnen worden voor allerlei biochemie en geneeskunde – én licht werpen op de diepe vraag hoe het leven is ontstaan.

In de onderzoekslaboratoria gonst het van de activiteit, bleek onlangs op het eerste overzichtssymposium van BaSyc, en niet alleen in Nederland. Zo maken wetenschappers gestaag vorderingen met het vanuit losse chemicaliën nabouwen van de belangrijkste onderdelen van de cel, zoals het eiwitten makende 'ribosoom', de celwand met al zijn in- en uitgangen, en natuurlijk het DNA, de harde schijf van de cel.

Dat levert al verbijsterende resultaten op. Zo presenteerde Tobias Erb van het Max Planck Instituut voor Microbiologie in  het Duitse Marburg nieuwe resultaten van zijn 'kunstmatige bladgroenkorrels'. Omdat planten CO2 heel inefficiënt verwerken, ontwierp Erb een nieuwe CO2-chemie, genaamd 'Cetch'. Die probeert zijn groep aan de praat te krijgen in reageerbuisjes en in cellen. Volgens nog ongepubliceerde cijfers die hij toonde, werkt dat al ongeveer net zo goed als bij sommige planten.

In Oxford werkt Hagan Bayley, een van de nestoren van het vakgebied, aan 'synthetische weefsels': een soort verstevigde zeepbellen gevuld met losse kunstmatige cellen, die met elkaar communiceren via stroomstootjes. "Uiteindelijk willen we ze implanteren in bijvoorbeeld het brein van iemand met hersenkanker, waar ze medicijnen maken en afgeven", zei Bayley.

Toekomstmuziek, daarover waren alle sprekers het eens. Maar op het BaSyc-symposium valt er niet aan te ontkomen: hier hangt dat opwindende gevoel in de lucht getuige te zijn van de geboorte van een heel nieuw hoofdstuk in de wetenschapsgeschiedenis.

www.basyc.nl

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van De Morgen rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234