STAP 4
Afbeelding in de hoofding: Sinds het ontstaan van de ‘antiporter’, een enzym dat Natriumionen naar buiten pompt, kan de protocel al meer zelf een extra ionengradiënt toevoegen aan de natuurlijke gradiënt. Bron: Astrobiologie.be (eigen werk)
We hebben al geleerd dat de protocel uit STAP 3 een doorlatend (of lek) membraan moet hebben. Dat is nodig omdat deze protocel volledig leeft op de natuurlijke protonengradiënt tussen oceaan en witte schoorstenen. De protocel kan zulke gradiënt niet zelf creëren door actief protonen te pompen. De natuurlijke gradiënt kan alleen permanent blijven bestaan als de binnenstromende protonen van de oceaan (H+) geneutraliseerd worden door binnenstromende hydroxide-ionen van de hydrothermale bronnen (OH–). Voor dat laatste moet het membraan dus doorlatend zijn.
Je zou denken dat het daarom onmogelijk was voor de protocellen om ooit te ontsnappen van de witte schoorstenen. Ze zouden daarvoor zelf een protonenpomp moeten ontwikkelen, maar ook een niet doorlatend membraan. De protonen die je naar buiten pompt om de gradiënt te kunnen vormen, zouden immers meteen weer naar binnen stromen bij een doorlatend membraan. Het pompen zou nooit snel genoeg kunnen zijn om de krachtige natuurlijke gradiënt van de white smokers te evenaren. Als eerste stap een niet-doorlatend membraan vormen zou echter ook geen goeie oplossing zijn, want door de grote natuurlijke gradiënt zou de binnenzijde van zulk een membraan immers rap verzadigd worden met binnengestroomde protonen. Deze zouden dan niet meer geneutraliseerd worden door OH–, aangezien het niet doorlatend membraan ook geen OH– ionen meer binnen laat. Hoe was een geleidelijke evolutie naar de combinatie ondoorlatende membranen en actieve protonenpompen dan toch mogelijk?
Aangezien het leven wel degelijk loskwam van de white smokers, moet er een alternieve oplossing geweest zijn. Die was er in de vorm van een Na+ gradiënt in plaats van de H+ gradiënt. Het geheim zit hem in een bepaald type membraanproteïne dat we ‘antiporter’ noemen. Een antiporter is te vergelijken met een draaideur tussen de buitenkant en binnenkant van het membraan. Een Na+ en een H+ ion worden gelijktijdig uitgewisseld bij elke draai van die deur, de ene komt binnen terwijl de andere buiten gaat. Met andere woorden de natuurlijke protonengradiënt aan de rand van de white smokers kon via die weg bij bepaalde protocellen het pompen van Na+ ionen aandrijven (als ze een antiporter hadden). Deze protocellen konden op die manier een Na+ gradiënt opbouwen bovenop de natuurlijke protonengradiënt. En nu komt het:
- Het membraan van deze protocellen was zeer doorlatend voor protonen maar veel minder doorlatend voor Na+. De Na+ ionen die naar buiten gepompt zijn, stromen veel minder terug naar binnen. Daarom kon deze cel actief een Na+ gradiënt over het membraan opbouwen.
- ATP-synthase (aanmaak ATP) en Ech (reductie van CO2) werken bieden op H+ gradiënt, maar kunnen ook werken op een Na+ gradiënt!
Met dit Na+ alternatief konden dus cellen ontstaan die minder hard gebonden waren aan de krachtige natuurlijke H+ gradiënt van de witte schoorstenen. Met andere woorden, ze konden zich iets verder weg gaan vestigen, op plaatsen waar de gradiënt veel zwakker is. Ze konden als enige de verdere randen van de white smokers gaan bewonen. Nu is het niet moeilijk meer om te begrijpen dat via natuurlijke evolutie deze protocellen steeds verder konden gaan in het actief aanmaken van een eigen ionen-gradiënt (PMF) en het steeds minder doorlatend maken van het celmembraan. De weg om te ontsnappen van de white smoker was geopend. Uiteindelijk konden ze helemaal loskomen, en de open oceaan gaan bewonen, aangedreven door een zelf geproduceerde PMF.
Nick Lane betoogt verder dat deze ontsnapping biochemisch gezien op twee alternatieve manieren gebeurd is.
De eerste groep cellen slaagde erin om een nieuw membraanproteïne te produceren dat kon dienen als actieve pomp voor protonen (H+) of Natriumionen (Na+). Dit enzym is een vorm van Methyltransferase (Mtr), die we ook nu nog als protonenpomp kunnen terugvinden bij methaanvormende Archaea. Zulk enzym zou kunnen geëvolueerd zijn uit een aangepaste antiporter die we hier al eerder genoemd hebben als membraangebonden pomp van Na+ ionen. Deze groep zijn de voorouders van alle Archaea, en zouden een metabolisme gehad hebben die tegenwoordig nog bij de methanogenen bestaat.
De tweede groep cellen slaagde erin om het membraangebonden enzym Ech omgekeerd te gebruiken. Eerder was Ech een manier om elektronen los te maken van H2 en daarmee vervolgens de koolstof van CO2 te reduceren. De aandrijving gebeurde doordat ionen (H+ of Na+) naar binnen stroomden via het Ech-enzym. Dit proces werd dus aangedreven door de PMF. Maar het enzym kan deze functie dus ook helemaal omdraaien. De oxidatie van een elektronendrager (in dit geval Ferredoxin of Fd) zorgt voor de nodige energie om de pomp naar buiten aan te drijven. op de tekening hieronder wordt dat voorgesteld als een elektron (e–) dat toekomt op het Ech-enzym, en zo het pompen van energie voorziet. Deze groep zijn de voorouders van alle Bacteria, en zouden een metabolisme gehad hebben die tegenwoordig nog bij de acetogenen bestaat.
In elke tekening hierboven waar een elektron (e–) zichtbaar is, wordt er dus eigenlijk een elektronendrager gebruikt die in de tekening niet is weergegeven. Het elektron is niet zomaar vrij rondbewegend. De elektronendragers zijn hier Ferredoxin of NAD+. De oxidatie ervan (een elektron wegnemen en je krijgt Fd of NAD+) levert energie op, en de reductie ervan (een elektron toevoegen, en je krijgt Fd– of NADH) is een manier om die energie er in op te slaan voor latere oxidatie. Zoals steeds spelen redox reacties een centrale rol.
Dat de membranen pas echt ondoorlatend konden worden na de ontsnapping, verklaart waarom Bacteria en Archaea elk hun eigen type van vetten hebben die hun membraan vormen. Dit is 1 van de kenmerken waarin beide groepen zeer duidelijk verschillen van mekaar. Verder komen de moderne Acetogenen (bacteria) en methanogenen (Archaea) zeer goed overeen met de veronderstelde primitieve vormen in deze ontstaanstheorie. Ze zijn beiden volgens reconstructies van de stambomen (op basis van DNA onderzoek) representatief voor de meest primiteve vormen van de twee domeinen. Bovendien hebben ze beiden een metabolisme dat gevoed wordt door CO2 en H2, net zoals in de theorie van de White smokers. Daar komt nog bij dat dit metabolisme allemaal tussenproducten (de zogenaamde omgekeerde Krebs cyclus) heeft die vrij gemakkelijk spontaan kunnen gevormd worden via de STAP 1 die we besproken hebben in 2.11. Het lijkt te mooi om waar te zijn, maar tot hiertoe is er geen betere theorie voor het ontstaan van leven bekend. Al is er wel nog een weg te gaan om tot harde bewijzen te komen dat het ook effectief zo gegaan is.