Lee Cronin: Materie tot leven wekken

Wat ik in de komende 15 minuten of zo ga proberen te doen is jullie vertellen over een idee van hoe we materie tot leven gaan wekken. Nu lijkt dit misschien een beetje ambitieus maar als je kijkt naar jezelf, naar je handen, dan besef je dat je leeft. Dat is al een begin. Deze zoektocht begon vier miljard jaar geleden op de planeet Aarde. Er bestaat al vier miljard jaar organisch, biologisch leven. Als anorganisch chemicus - mijn vrienden en collega's maken dit onderscheid tussen de organische, levende wereld en de anorganische, dode wereld - ga ik proberen jullie enkele ideeën bij te brengen over hoe we anorganische, dode materie kunnen veranderen in levende materie, in anorganische biologie.

Voor we daarmee beginnen wil ik de biologie een beetje op haar plaats zetten. Ik ben helemaal gegrepen door biologie. Ik ben dol op synthetische biologie. Ik hou van dingen die leven. Ik hou van het manipuleren van de infrastructuur van de biologie. Maar binnen die infrastructuur moeten we niet vergeten dat de drijvende kracht van de biologie uit de evolutie voortkomt. En evolutie, ook al werd ze ruim 100 jaar geleden naar voren gebracht door Charles Darwin en een groot aantal andere mensen, blijft nog steeds een beetje ontastbaar. Als ik het over de evolutietheorie van Darwin heb, heb ik het over één ding en één ding alleen, en dat is “survival of the fittest”. Denk hier niet aan evolutie op een metafysische manier. Denk over evolutie in termen van concurrerende nakomelingen, waarbij sommigen winnen.

Met dat in gedachten stelde ik me als chemicus de voor de biologie frustrerende vraag: wat is de minimale eenheid materie die Darwinistische evolutie kan ondergaan? Dit lijkt een nogal diepgaande vraag. Als chemicus ben je niet gewend om elke dag diepgaande vragen tegen te komen. Toen ik erover nadacht, besefte ik plotseling dat de biologie ons het antwoord gaf. In feite is de kleinste eenheid van materie die onafhankelijk kan evolueren één enkele cel - een bacterie.

Dit voert tot drie heel belangrijke vragen: Wat is leven? Is biologie speciaal? Biologen lijken het te denken. Is materie evolueerbaar? We gaan deze vragen nu in omgekeerde volgorde beantwoorden. Als we op de derde vraag - is materie evolueerbaar? - een antwoord vinden, dan zullen we weten hoe speciaal de biologie is. En misschien, heel misschien, hebben we dan een idee van wat het leven werkelijk is.

Hier is wat anorganisch leven. Dit is een dood kristal. Ik ga er iets mee doen en het gaat tot leven komen. Je kunt zien dat hier een soort van bestuiven, ontkiemen, groeien optreedt. Dit is een anorganische buis. Al deze kristallen hier onder de microscoop waren een paar minuten geleden dood en lijken nu levend. Natuurlijk zijn ze niet in leven. Het is een scheikundig experiment, ik heb een kristaltuin gemaakt. Maar toen ik dit zag, was ik echt gefascineerd, omdat het zo levensecht leek. Kijk eens op het scherm terwijl ik even pauzeer. Je kan zien dat er steeds meer architectuur groeit, de leegte wordt opgevuld. Dit is dood. Dus was ik er zeker van dat als we dingen het leven kunnen laten nabootsen, we ook een stap verder konden gaan. Laten we eens kijken of we ook echt leven kunnen maken.

Maar er is een probleem, want tot misschien tien jaar geleden, werd ons verteld dat het leven onmogelijk is en dat we het meest ongelooflijke wonder in het universum waren. Sterker nog, we waren de enige mensen in het universum. Nu is dat een beetje saai. Als chemicus wilde ik zeggen: "Wacht even. Wat is hier aan de hand? Is het leven zo onwaarschijnlijk?" Dit is echt de vraag. Ik denk dat de opkomst van de eerste cellen misschien wel even waarschijnlijk was als de opkomst van de sterren. Laten we een stap verder gaan. Laten we zeggen dat als de fysica van kernfusie gecodeerd is in het universum dan misschien wel de fysica van het leven dat ook is. Het probleem met chemici - maar dit is evengoed een enorm voordeel - is dat we ons graag concentreren op onze elementen. In de biologie staat koolstof centraal. In een universum met koolstof en organische biologie krijgen we deze prachtige diversiteit van het leven. Sterker nog, we hebben zulke verbazingwekkende levensvormen die we kunnen manipuleren. We zijn erg voorzichtig in het lab om al die diverse biologische gevaren te voorkomen.

Tja, hoe zit het dan met materie? Als we materie levend kunnen maken, krijgen we dan te maken met ‘materiegevaren’? Denk erom, dit is een serieuze vraag. Als je pen zich zou kunnen repliceren, zou dat een probleem kunnen geven. Dus moeten we anders gaan denken als we dingen tot leven gaan wekken. We moeten ons ook bewust zijn van de problemen. Maar voordat we leven kunnen maken, laten we even nadenken over waardoor het leven echt gekenmerkt wordt. Vergeef me dit ingewikkelde schema. Het is slechts een verzameling van de reactieroutes in de cel. De cel is voor ons natuurlijk een fascinerend ding. Synthesebiologen manipuleren ze. Chemici proberen de moleculen te bestuderen om ziektes te begrijpen. En al die reacties verlopen tegelijkertijd. Je hebt regels. Informatie wordt gekopieerd. Katalysatoren worden gemaakt, dingen gebeuren. Maar wat doet een cel? Nou, ze deelt, ze concurreert, ze overleeft. Ik denk dat het daar is waar we moeten beginnen met het nadenken over hoe we leven gaan bouwen.

Maar wat anders is nog kenmerkend voor het leven? Nou, ik zie het graag als een vlam in een fles. Hier zien we een beschrijving van hoe individuele cellen repliceren, metaboliseren, hun chemicaliën verbranden. Dus moeten we begrijpen dat, als we kunstmatig leven gaan maken of de oorsprong van het leven willen begrijpen, we het op de een of andere manier van een krachtbron moeten voorzien. Dus voordat we echt beginnen met leven te maken, moeten we denken aan waar het vandaan kwam. Darwin zelf mijmerde in een brief aan een collega dat hij dacht dat het leven waarschijnlijk ergens in de een of andere warme kleine vijver ontstaan was - misschien niet in Schotland, misschien wel in Afrika, misschien ergens anders. Maar het eerlijke antwoord is dat we het gewoon niet weten, omdat er een probleem is met de oorsprong. Verbeeld je even terug naar vier en een half miljard jaar geleden. Er is een enorme soep van chemische spul. Uit dit spul kwamen we voort.

Als je denkt dat wat ik in de komende paar minuten ga vertellen extreem onwaarschijnlijk is, vergeet dan niet dat ook wij van spul op de planeet Aarde voortkwamen. We gingen door een verscheidenheid van werelden. De RNA-mensen zouden over de RNA-wereld praten. We kregen op de een of andere manier eiwitten en DNA. Zo kwamen wij tot bij de laatste voorouder. Evolutie deed zijn werk - en dat is het coole gedeelte. Hier zijn we. Maar er is een wegversperring waar je niet voorbij kan. Je kan het genoom decoderen, je kan terugkijken, je kunt ons allen aan elkaar koppelen door het mitochondriaal DNA, maar we kunnen niet verder dan de laatste voorouder, de laatste zichtbare cel waarvan we de DNA-volgorde konden bepalen of terugdenken in de geschiedenis. We weten niet hoe we hier zijn geraakt.

Er zijn twee opties: intelligent design, direct en indirect - dus God, of mijn vriend. Praten over E.T. die ons hier bracht, of een ander soort leven, verschuift het probleem alleen maar wat verder. Ik ben geen politicus, ik ben een wetenschapper. Het andere waar we over moeten nadenken is de opkomst van de chemische complexiteit. Dit lijkt het meest waarschijnlijk. We hebben een soort oersoep. Die blijkt een goede bron voor alle 20 aminozuren. Op een of andere manier worden deze aminozuren gecombineerd en het leven begint. Maar het leven begint, wat betekent dat? Wat is leven? Wat is dit spul van het leven?

In de jaren ‘50 deden Miller en Urey hun fantastische chemische Frankenstein experiment, met een tegenhanger in de chemische wereld. Ze namen de basisingrediënten, deden ze in een kolf, verwarmden dat en lieten er elektrische vonken op los. Wat vonden ze later in die soep? Aminozuren. Maar geen enkele cel. Het hele onderzoeksgebied werd op een laag pitje gezet, en weer in gang gezet in de jaren '80 toen analytische en computertechnologieën opkwamen.

In mijn eigen laboratorium proberen we anorganisch leven te creëren met behulp van veel verschillende reactietypes. We voeren reacties uit - niet in één fles, maar in tientallen flessen en verbinden ze met elkaar, zoals je kunt zien in dit stroomsysteem, al die buizen. We kunnen het microfluidisch doen, we kunnen lithografisch doen, we kunnen het doen in een 3D-printer, we kunnen het in druppeltjes voor collega's doen. Het belangrijkste is om veel complexe chemie gewoon wat te laten borrelen. Maar dat zou waarschijnlijk eindigen in mislukking, dus moeten we een beetje meer gericht gaan werken.

Het antwoord ligt, natuurlijk, bij muizen. Zo herinner ik me wat ik nodig heb als chemicus. Ik zeg: "Ik wil moleculen." Maar ik heb stofwisseling nodig, ik heb wat energie nodig. Ik heb wat informatie nodig en een recipiënt. Want als ik evolutie wil, moeten recipiënten concurreren. Een recipiënt hebben, is als in je auto stappen. "Dit is mijn auto, ik ga ermee rondrijden en hem laten zien.” Ik stel me voor dat je iets dergelijks hebt in de cellulaire biologie met de opkomst van het leven. Al deze dingen samen leveren ons misschien de evolutie op. De manier om dit in het laboratorium te testen is door het minimaal te maken.

Wat we gaan proberen te doen is te zoeken naar een Legodoos van anorganische moleculen. Vergeef de moleculen op het scherm want het is maar een zeer eenvoudig stelletje. Misschien zijn er slechts drie of vier verschillende types van bouwstenen aanwezig. We kunnen ze samen brengen en er letterlijk duizenden en duizenden echt grote nanomoleculaire moleculen mee maken van de grootte van DNA en eiwitten, maar er is geen koolstof in te zien. Koolstof deugt niet. Met deze Legodoos hebben we de vereiste diversiteit voor complexe informatieopslag zonder DNA. Maar we moeten een aantal recipiënten maken. Slechts een paar maanden geleden konden we in mijn lab met deze moleculen cellen maken. Je kunt op het scherm zien hoe een cel wordt gemaakt. We gaan daar nu wat chemie in steken en wat chemische dingen laten gebeuren in deze cel. Alles wat ik wilde laten zien, is dat we met moleculen membranen kunnen maken, in echte cellen, en dan te komen tot een soort moleculair darwinisme, een moleculair ‘survival of the fittest’.

Deze film hier toont de concurrentie tussen de moleculen. Moleculen beconcurreren elkaar voor spul. Ze zijn allemaal gemaakt van hetzelfde spul, maar ze willen dat hun vorm wint. Ze willen dat hun vorm blijft bestaan. Dat is de sleutel. Als we op een of andere manier deze moleculen kunnen aanmoedigen om met elkaar te praten, de juiste vormen te maken en te concurreren, zullen ze cellen beginnen te vormen die zullen repliceren en concurreren. Als het ons lukt om dat te doen, vergeet dan de moleculaire details maar.

Laten we eens uitzoomen naar wat dat zou kunnen betekenen. We hebben deze speciale evolutietheorie die alleen geldt voor organische biologie, voor ons. Als we evolutie zouden krijgen in de materiële wereld, dan moeten we een algemene theorie van de evolutie hebben. Dat is echt de moeite waard om over na te denken. Controleert de evolutie de verfijning van materie in het heelal? Is er een drijvende kracht die door evolutie het materie mogelijk maakt om te concurreren? Dat betekent dat we dan kunnen beginnen met het ontwikkelen van verschillende platformen om deze evolutie te verkennen. Stel je voor dat we in staat zouden zijn om een zichzelf onderhoudende kunstmatige levensvorm te creëren, dan zou dit ons niet alleen iets vertellen over de oorsprong van het leven, maar ook dat het mogelijk is dat het universum geen koolstof behoeft om te leven. Het kan alles gebruiken. We kunnen dan nog een stap verder en nieuwe technologieën ontwikkelen, omdat we dan van softwarecontrole gebruik kunnen maken om evolutie in te coderen.

Stel dat we een kleine cel maken. We willen ze in het milieu loslaten en we willen dat ze door de zon zou worden aangedreven. We doen ze in een doos met een lichtbron. We gebruiken geen ontwerp meer. We zoeken wat werkt. We moeten onze inspiratie uit de biologie halen. Biologie geeft niet om het ontwerp zolang het maar werkt. Dit zal de manier veranderen waarop we dingen ontwerpen. Maar niet alleen dat. We kunnen gaan nadenken over hoe we een symbiotische relatie met de biologie kunnen ontwikkelen. Zou het niet geweldig zijn als we deze kunstmatige biologische cellen zouden kunnen versmelten met biologische cellen om er tot nog toe onoplosbare problemen mee op te lossen? Het echte probleem is dat we in de cellulaire biologie nooit alles zullen begrijpen, omdat het een door de evolutie aangebracht multidimensioneel probleem is. Evolutie kan je niet uiteen rafelen. Je moet op een of andere manier de fitheidsfunctie eruit kunnen halen. Het is mijn diepste overtuiging dat, als dit werkt, het concept van het zelfzuchtige gen een niveau omhoog wordt gekrikt. We kunnen dan praten over zelfzuchtige materie.

Wat betekent dat in een universum waar we op dit moment de hoogste vorm van stof zijn? Je zit op stoelen. Ze zijn levenloos, ze leven niet. Maar ook jij bent gemaakt van spul, je gebruikt spul en je maakt spul tot slaaf. Evolutie gebruiken in de biologie, en in de organische biologie, is voor mij heel aantrekkelijk, heel spannend. We komen echt heel dicht bij het begrijpen van de belangrijkste stappen om dood spul tot leven te wekken. Nogmaals, als je zou denken hoe onwaarschijnlijk dit is, vergeet dan niet dat wij, vijf miljard jaar geleden, hier niet waren en er geen leven was. Wat zegt ons dat

over de oorsprong en de betekenis van het leven? Als chemicus hou ik me liever niet bezig met algemeenheden. Ik wil nadenken over de bijzonderheden. Wat houdt dat in, het leven definiëren? Daar hebben we echt moeite mee. Ik denk dat als we anorganische biologie kunnen maken en we materie evolueerbaar kunnen maken, dat dat in feite het leven zal definiëren. Daarmee bedoel ik dat materie die kan evolueren, leeft. Dat geeft ons het idee om evolueerbare materie maken.

Heel hartelijk bedankt.

(Applaus)

Chris Anderson: Even een vraag over de tijdlijn. Je gelooft dat dit project zal slagen? Wanneer?

Lee Cronin: Veel mensen denken dat het leven miljoenen jaren nodig had om op te starten. We denken dat dat moet lukken in slechts een paar uur, als we eenmaal de juiste chemie hebben gevonden.

CA: Wanneer denk je dat dat zal gebeuren?

LC: Hopelijk binnen de komende twee jaar.

CA: Dat zou pas een groot verhaal zijn. (Gelach) Hoe groot denk je dat de kans is dat ergens op een andere planeet niet op koolstof gebaseerd leven rondloopt of rondglijdt of zoiets?

LC: Ik denk dat dat 100 procent is. We zijn zo chauvinistisch als het over biologie gaat. Als je koolstof zou wegnemen, kunnen er andere dingen gebeuren. Als we leven dat is niet gebaseerd is op koolstof kunnen creëren, kunnen we NASA misschien vertellen wat ze werkelijk moeten zoeken. Niet op zoek gaan naar koolstof, maar op zoek gaan naar evolueerbaar spul.

CA: Lee Cronin, veel geluk. (LC: Heel erg bedankt.)

(Applaus)