De moleculaire activiteit in ons lichaam is onbevattelijk. Fosfaat speelt daarbij een essentiële rol. De oorsprong van deze processen is misschien wel op de oceaanbodem te vinden.
Het is dezer dagen even aanpoten als weerman. Daarover schrijft de krant alles al dat u wilt weten. Met de zomervakantie voor de deur wil ik u graag meenemen naar de wondere wereld van het ontstaan van het leven. Zodat u zich straks, liggend aan het zwembad of wandelend door de bergen, nog eens kunt verbazen over de enorme complexiteit van de cellen in ons lichaam, en over de wonderbaarlijke manier waarop die ooit uit levenloze moleculen zijn ontstaan.
In de chemie van de levende cel speelt fosfaat een essentiële rol. Fosfaat is een scheikundig bouwblok voor moleculen en vormt een regelmatig viervlak, een simpele piramide van vier driehoeken, met op ieder hoekpunt een zuurstofatoom en in het midden een atoom fosfor. Fosfaat is in de biochemie altijd onderdeel van grote biomoleculen, zoals de moleculen die samen DNA en RNA vormen. Fosfaat vervult er de functie van een ontzettend stevig plakband, dat de individuele helixen van het DNA bij elkaar houdt.
Bovendien zijn de fosfaatpiramides onmisbaar in de energiehuishouding van alle levende cellen. Als wij een boterham met pindakaas eten, moet de chemische energie die ons lichaam uit de vetten en koolhydraten haalt ergens worden opgeslagen en naar de verschillende onderdelen van cellen worden gebracht en weer afgegeven. Deze functie wordt vervuld door adenosinetrifosfaat (ATP), dat je kunt zien als een pinpas voor energie in de cel. ATP is een molecuul met drie fosfaatgroepen en kan gemakkelijk één of twee van die groepen uitlenen aan enzymen in een cel zodat die hun werk kunnen doen. In de fosfaatgroepen zit een hoop energie opgeslagen, vergelijkbaar met een veer die is ingeklapt. Met de juiste chemische koppeling kan de veer openspringen en de chemische energie die in de fosfaatgroep ligt opgeslagen worden vrijgegeven. Dit proces is geen klein bier, binnen je eigen lichaam vinden in elke cel ongeveer tien miljoen ATP-omzettingen per seconde plaats. Met dertigduizend miljard cellen in een menselijk lichaam is de moleculaire activiteit om jou te laten lopen, denken, ademen, eten en het weer presenteren wel uit te rekenen maar simpelweg niet te bevatten.
Dat fosfaat zo’n belangrijke rol speelt in biomoleculen, werd al bijna veertig jaar geleden uitgelegd door biochemicus Frank Westheimer (1912-2007). Genetisch materiaal moet lang leven, stevig bij elkaar gehouden worden, en niet gemakkelijk reageren met water. Daarvoor blijkt fosfaat perfect en uniek: door zijn vorm is het aan drie kanten negatief geladen. Denk aan drie negatief geladen magneetjes, waarvan er twee worden gebruikt om DNA-moleculen stevig aan elkaar te plakken. Een derde stoot water af en zorgt dat DNA niet oplost in water.
Toch stellen precies deze eigenschappen de wetenschap ook voor een raadsel. Want als fosfaat zo moeilijk reageert, en het bovendien slecht oplost in water, hoe is fosfaat dan ooit onderdeel geworden van het leven? Onder wat voor omstandigheden kon fosfaat de hoofdrolspeler van biomoleculen worden?
Terug naar ATP. Voordat je dat kunt maken heb je adenosinemonofosfaat nodig, AMP. Waarschijnlijk was er voor het ontstaan van leven al AMP aanwezig, dat onder specifieke omstandigheden uiteindelijk tot ATP kon reageren. Er zijn veel theorieën over waar die omstandigheden waarschijnlijk optraden. Volgens sommigen gebeurde dat in poelen die regelmatig droogvielen en lauwwarm water bevatten. Maar ook wordt er al een tijdje gekeken naar hydrothermale bronnen, vents of smokers. Dat zijn geisers op de bodem van de oceaan waaruit heet water wordt gestuwd dat is opgewarmd door de nabijheid van magma. Voordat water uit een van deze bronnen spuit, heeft het jarenlang als grondwater in de oceaanbodem gezeten.
Hydrothermale bronnen komen voor in vulkanisch actieve delen van de oceaanbodem, bijvoorbeeld langs een groot deel van de Mid-Atlantische Rug, het opdrogende litteken van de Europese en Amerikaanse platen die uit elkaar schuiven. Ze vormen langwerpige schoorstenen van mineralen en metalen die in het opspuitende water zijn opgelost. Hier kan de oorsprong van het leven hebben gelegen. Het is er warm, en in de bronnen zitten unieke combinaties van chemische stoffen dicht bij elkaar.
Nadat Duitse onderzoekers een paar jaar geleden een enzym in een bacterie hadden gevonden dat met AMP en fosfiet biomoleculen kon maken, gingen ze op zoek naar een plek waar dat van nature gebeurd zou kunnen zijn. Want die enzymen waren er voor het ontstaan van het leven natuurlijk nog niet. En dus kwamen ze al snel uit bij de hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. In het gesteente van de bronnen zit fosfiet, maar ook metalen zoals palladium en nikkel. Die metalen kunnen als katalysator de chemische reactie van AMP naar biomoleculen aanwakkeren. Volgens hen vervulden die metalen de rol die enzymen in een cel tegenwoordig spelen. In het lab hebben ze dit vorig jaar succesvol nagebootst. Kortom, de hydrothermale bronnen op de bodem van de oceaan zijn een plek waar alle noodzakelijke elementen samenkomen om fosfaat onderdeel te maken van het leven. En wel op een manier die fundamenteel lijkt op hoe bacteriën het tegenwoordig doen.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin