STAP 3
Afbeelding in de hoofding: De protocel ontwikkelt de basiseigenschappen van LUCA, de laatste universele voorouder-cel van alle leven op Aarde. Bron: Astrobiologie.be (eigen werk)
Na STAP 2 hebben we dus een protocel die nog steeds onlosmakelijk gebonden is aan de witte schoorstenen en die in staat is om steeds meer organische moleculen aan te maken uit CO2, en ze aan elkaar te rijgen tot grotere moleculen (polymeren). Deze moleculen stapelen zich op in de protocel. Op deze manier is het – alleszins theoretisch – perfect mogelijk dat de vier grote families van biomoleculen spontaan gevormd worden:
- Enkelvoudige suikers worden gevormd, en een elkaar gekoppeld tot grotere koolwaterstoffen (koolhydraten)
- Aminozuren worden gevormd, en aan elkaar gekoppeld tot polypeptiden (waarmee je dan volwaardige proteïnen kunt maken)
- Vetzuren worden gevormd en bijvoorbeeld aan een glycerolmolecule gekoppeld om fosfolipiden te vormen (waarmee biologische membranen gemaakt worden) of andere vetten
- Nucleotiden worden gevormd, en aan elkaar gekoppeld tot RNA of DNA
In zulke omstandigheden is het niet onlogisch dat de protocellen gaan ‘experimenteren’ met proteïnen en nucleïnezuren, en dat er er na voldoende tijd en productie zich systemen gaan vormen die in staat zijn om RNA om te zetten in proteïnen. Met andere woorden, een voorloper van ribosomen: de structuren die in alle bekende levende cellen continue proteïnen aanmaken, gecodeerd door RNA en DNA.
Eens het mechanisme van proteïnenproductie gestart is, gaan cellen hun eigen ’tools’ kunnen aanmaken om bepaalde metabolische en andere processen te gaan verbeteren of versnellen. En dan kan biologische evolutie dus beginnen. Protocellen die beter in staat zijn om voor zichzelf functionele proteïnen aan te maken (enzymen), die zullen meer succes hebben om zich op nieuwe plaatsen in de witte schoorstenen te vestigen. Zichzelf kunnen verdubbelen is natuurlijk een heel belangrijk kenmerk hierbij. Het moet de basis geweest zijn van het ontstaan van erfelijkheid via RNA, en vervolgens ook met het stabielere en betrouwbaarder DNA. In deze cursus gaan we er niet verder op in hoe dit allemaal precies kan ontstaan zijn, maar er bestaan wel zeker interessante hypothesen over.
De meest essentiële en universele kenmerken van alle leven op Aarde, die gelijk zijn in alle drie de grote domeinen (Bacteria, Archaea, Eukaryoten, zie verder in deze cursus), hebben we besproken in het begin van deel 2 (2.2. tot 2.7.). Kort samengevat zijn dat:
- Redox reacties vormen de basis van het metabolisme. Reductie van CO2 zorgt voor de aanmaak van organische moleculen.
- ATP is de universele energie molecule die alle bio-reacties aandrijft.
- ATP wordt vooral aangemaakt door gebruik te maken van een protongradiënt over een membraan (de Proton Motive Force) dankzij het membraaneiwit ATP-synthase
- DNA is de drager van erfelijkheid (de genen), en de code bestaat uit vier “letters” (de vier nucelobasen van DNA gecodeerd door A,T,C,G)
- DNA wordt ‘uitgelezen’ door het eerst om te zetten in RNA (transcriptie), en dan de RNA om te zetten in polypeptiden (translatie) die samen de functionele eiwitten vormen
- De translatie wordt uitgevoerd door ribosomen, speciale organellen die zelf zijn opgebouwd uit RNA en proteïnen.
Volgens Nick Lane zijn deze essentiële universele kenmerken ontstaan in de protocel (hier in STAP 3 dus), juist voordat de opsplitsing gebeurde in de twee grote domeinen Archaea en Bacteria (beiden prokaryoten, de Eukaryoten zijn pas veel later ontstaan). Meer nog, de opsplitsing in deze twee domeinen zou zelf gebeurd zijn wanneer de protocellen voor het eerst loskwamen van de witte schoorstenen. Dit zullen we bespreken bij STAP 4 (bij 2.14. dus). Het lijstje universele kenmerken van hierboven moet dus ontstaan zijn in de protcellen wanneer ze nog onlosmakelijk verbonden waren met de white smokers.
Deze protocel met universele kenmerken is dan eigenlijk de zogenaamde “LUCA”, of Last Universal Common Ancestor van alle leven op Aarde. Met andere woorden, LUCA leefde op de natuurlijke protongradiënt tussen de zure oceaan en de alkalische hydrothermale bronnen, vastgehecht aan de witte schoorstenen. LUCA had ook doorlatende membranen, die lek waren voor kleine moleculen zoals H+, OH–, CO2, H2, CH4, enzoverder. Dit was nodig om ervoor te zorgen dat binnenstromende protonen (H+) niet zouden opstapelen aan de binnenkant van de celmembraan, maar in de plaats daarvan geneutraliseerd werden als watermoleculen (H2O) omdat ze reageerden met OH– ionen. Er waren dan nog altijd meer dan genoeg protonen aan de buitenkant van het membraan om een natuurlijke PMF te vormen, en dus de aanmaak van ATP (ATP-synthase) en de reductie van koolstof uit CO2 (Ech) aan te drijven. Maar de protocel kon niet loskomen van de witte schoorstenen, vanwege die natuurlijke PMF die levensnoodzakelijk was. Als deze cellen ooit vrijlevend wilden worden (dat gebeurde natuurlijk wel), dan zouden ze die protongradiënt zelf moeten maken. Daarvoor moesten ze enerzijds een membraangebonden protonenpomp ontwikkelen die de gradiënt actief kan aanmaken. Anderzijds moesten ze daarvoor een beter membraan aanmaken, die niet meer doorlatend was voor protonen. Anders is het pompen in een bodemloos vat. In STAP 4 zullen we zien dat deze cellen uiteindelijk toch een mechanisme ontwikkelden om te ontsnappen van de white smokers en onafhankelijk te worden van de natuurlijke protonengradiënt. We zullen zien dat dit op twee verschillende manieren gebeurde, en dat dit het begin was van de opsplitsing Bacteria-Archaea.