spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
Special Cursor 50 jaarSpecial Cursor 50 jaar
PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook

Zoeken naar leven in een glazen bol

23 april 2009 - Doe methaan, ammoniak, waterstof en water in een afgesloten bol en stel dit bloot aan elektrische ontladingen. De Amerikaan Stanley Miller ontdekte in 1953 dat er dan aminozuren ontstaan, de bouwstenen van eiwitten. Dit bijzondere experiment, dat ons vertelt over het mogelijke ontstaan van leven op aarde, wordt nu aan de TU/e en in wetenschapsmuseum NEMO herhaald. Aan de TU/e worden vijf jaar experimenten gedaan, terwijl de bol bij NEMO eenzelfde periode gesloten blijft. Een unicum.
ICMS businessmanager ir. Sagitta Peters, ing. Joost van Dongen van ST en Sanne Deurloo, hoofd programma van NEMO.

Niets doet vermoeden dat achter de glazen bol in NEMO zo’n bijzonder wetenschappelijk experiment schuilgaat. De opstelling staat centraal in een vandaag, donderdag 23 april, geopende tentoonstelling over de bouwstenen van leven en de zoektocht daarnaar. Inhoudelijk directeur Rob van Hattum speelde al langer met het idee om ‘iets’ met het begin van leven op onze planeet te doen.
Dat 2009 zowel als jaar van Darwin als van de sterrenkunde is uitgeroepen, bood schitterende aanknopingspunten voor de start van het project. Van Hattum is een bekende van prof.dr. Bert Meijer, directeur van het TU/e-Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen (ICMS) en universiteitshoogleraar bij de faculteiten Scheikundige Technologie en Biomedische Technologie. De twee ontsponnen zo’n anderhalf jaar geleden een idee om zowel bij NEMO als aan de TU/e gelijktijdig een bekend experiment naar het ontstaan van leven te repliceren.

De Amerikaanse wetenschappers Miller en Urey probeerden in 1953 experimenteel na te gaan hoe bouwstenen van het leven konden ontstaan. Ze deden ammoniak, waterstof, methaan en water in een opstelling. Dit zijn de ‘elementaire verbindingen’ waarvan wordt verondersteld dat ze vier miljard geleden op de aarde waren. De omgeving van de vroegere aarde waarin deze verbindingen zouden voorkomen, staat ook wel bekend als ‘oersoep’. Elektrische ontladingen in de opstellingen moeten het onweer van weleer simuleren en kokend water de warme oceanen.

Uit deze stoffen bleken onder meer aminozuren te zijn ontstaan - de bouwstenen van eiwitten. En eiwitten zijn belangrijke bouwstenen van cellen. Zowel aan de TU/e als in NEMO is de opstelling van de Amerikanen nagebouwd, zij het elk in een andere gedaante. In NEMO wordt de met gassen en water gevulde bol vijf jaar op kamertemperatuur ‘geschud’- veel langer dan het experiment van Miller en Urey, dat slechts een week duurde. Aan de TU/e variëren wetenschappers in meerdere experimenten met de omstandigheden en de gassen.

De tentoonstelling over het zoeken naar leven is sinds vandaag, donderdag 23 april, officieel voor het publiek geopend. Tegelijkertijd is de opstelling in het Spinozalab aan de TU/e ‘aangezet’./.

 

Het experiment van Miller en Urey



De Amerikaan Stanley Miller was promovendus aan de universiteit van Chicago en raakte in 1951 zeer geïnspireerd door een lezing van Nobelprijswinnaar Harold Urey. Deze betoogde dat de atmosfeer op aarde bestaat uit een mengsel van gassen, zoals waterstof, ammoniak, methaan en waterdamp. Die gassen zouden samen de eerste organische moleculen hebben gevormd. Tot nu toe had niemand de proef op de som genomen om die theorie te staven. Miller was de eerste. Aanvankelijk weigerde Urey de relatief onervaren Miller, maar na aandringen mocht de student het experiment toch uitvoeren.

De twee wetenschappers ontwierpen en bouwden een gesloten systeem met twee glazen kolven, die met glazen buizen zijn verbonden. De kolf met kokend water moet de oceanen van weleer voorstellen. In de bovenste kolf hangen twee elektroden, waarmee de hevige bliksem uit de oertijd wordt nagebootst. In de hele opstelling zit het gasmengsel. De waterdamp verdampt in de linkerbol, condenseert later in de koeler en stroomt dan in het waterslot. Is dat vol, dan stroomt het door naar de bol met kokend water.

Miller had na een week de aminozuren glycine en alanine gevonden. In latere experimenten volgden andere aminozuren. We weten dat er in eiwitten maximaal twintig verschillende aminozuren zitten. Deze zuren zijn opgebouwd uit combinaties van koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof en zwavel. Bepaalde celdelen zijn opgebouwd uit eiwitten en die bestaan weer uit lange ketens aminozuren.

Miller analyseerde de resultaten met papierchromatografie. Met een stuk vloeipapier en oplosmiddelen kun je moleculen in een vloeistof scheiden door de afstand die ze over het papier afleggen. Urey wilde zijn naam niet bij het artikel met de bevindingen, omdat hij als Nobelprijswinnaar alle credits voor het idee en de uitvoering aan de jonge Miller wilde geven. In eerste instantie bleek het verhaal moeilijk te publiceren -er wordt zelfs gezegd dat de referenten van het artikel snel zelf de experimenten wilden uitvoeren- maar in 1953 stond het dan toch in het gerenommeerde tijdschrift Science.

De resultaten van Miller en Urey waren baanbrekend, omdat het experiment aantoonde dat organische stoffen uit (deels) anorganische stoffen kunnen ontstaan. Nog steeds zijn er discussies over de gassen die in de ‘oeratmosfeer’ zouden zitten. De samenstelling zou toch anders zijn dan Urey dacht. Zo wordt onder meer de vraag opgeworpen hoeveel koolstofdioxide vier miljard jaar geleden in de atmosfeer zat. Op de vraag hoe eiwitten en peptiden (een kleine keten aminozuren) uit aminozuren ontstonden en hoe vervolgens deze eiwitten en peptiden met andere organische verbindingen vervolgens de eerste cel vormden, is nog geen antwoord gevonden.

Miller overleed in mei 2007 op 77-jarige leeftijd. Opmerkelijk is dat een jaar na zijn dood monsterbuisjes in zijn la zijn gevonden. Met moderne analysetechnieken zijn meer aminozuren en andere verbindingen aangetoond dan Miller zelf had waargenomen.

 

De opstelling in NEMO



Wie bij binnenkomst bij station Amsterdam Centraal een blik vanuit de trein naar buiten werpt, ziet onvermijdelijk het groenkoperen gebouw in de vorm van een schip. Science center NEMO is sinds 1997 open. Bezoekers kunnen zich er spelenderwijs bezighouden met wetenschap en technologie. Vanaf vandaag, donderdag 23 april, kan oud en jong een tentoonstelling over het zoeken naar leven bezoeken. Zo kunnen ze een 4,65 miljard jaar oude meteoriet aanraken en ‘puzzelen’ met eiwitten.

Het hart van de tentoonstelling is het experiment van Miller en Urey. In tegenstelling tot aan de TU/e staat hier ‘slechts’ één bol met water en de gassen. De Gemeenschappelijke Technische Dienst (GTD) van de TU/e heeft de bol gemaakt. Vooral vanwege de veiligheid en omdat de opstelling vijf jaar moet staan, is de opstelling in NEMO aangepast. Zo wordt het water niet verwarmd en wordt er minder vaak gevonkt dan aan de TU/e; met een frequentie van één maal per seconde.

Via het informatiescherm bij de bol kunnen bezoekers gegevens opvragen. Zo staat ook de samenstelling vermeld; 1,6 liter waterstofgas, 3,2 liter methaan, 3,2 liter ammoniakgas en 2 liter gesteriliseerd water. Deze verhoudingen zijn identiek aan die van het experiment in de jaren vijftig.

Nog niet eerder is het oersoep-experiment zo lang gehouden. Sanne Deurloo, hoofd programma: “Dit is echt heel uniek. Spannend wat we over vijf jaar aantreffen. Voor ons is het een lange tijd, maar als je bedenkt dat er miljoenen jaren overheen zijn gegaan tot er leven was, is dit natuurlijk een peulenschil.” Na opening van de bol gaan TU/e-wetenschappers de samenstelling van het mengsel analyseren. Dat openen moet uiterst zorgvuldig gebeuren. “Waarschijnlijk laten we de GTD er een kraantje op maken”, vertelt Joost van Dongen. “Met dat soort ‘problemen’ hebben we zo vaak te maken, daar vinden we altijd een oplossing voor.”

De interactieve tentoonstelling is dit keer voor wat oudere kinderen vanaf tien jaar. “Het is altijd leuk om te zien hoe ze reageren”, vertelt NEMO-persvoorlichtster Hendrike Ligthart Schenk. “Het ene kind zal ingespannen naar de bol kijken en zich afvragen wat er binnenin gebeurt, terwijl een ander meteen op de informatieknoppen drukt.”

 

De opstelling aan de TU/e



In het Spinozalab op de vierde verdieping van Helix staat in een zuurkast een kopie van de opstelling van Miller en Urey. Vanuit de TU/e zijn dr.ir. Anja Palmans, ing. Joost van Dongen, prof.dr. Bert Meijer en ir. Sagitta Peters bij het project betrokken. Binnenkort wordt er mogelijk een medewerker aangesteld om zich langere tijd met de opstelling en analyse van monsters bezig te houden.

Voor zover Van Dongen weet, is het de eerste keer dat het experiment aan de TU/e wordt nagebootst.

“Kijk, hier zitten de elektroden”, wijst hij op de rechterbol. “In de linkerbol zit gezuiverd kokend water. De waterdamp stijgt op en daalt vervolgens in de bol met de elektroden neer. Daar wordt met een frequentie van zo’n duizend keer per seconde ‘gevonkt’. De waterdamp wordt vervolgens gekoeld en de ontstane componenten kunnen worden ‘afgetapt’.” Van Dongen omschrijft de omstandigheden als ‘heftig’. “We verwachten op deze manier sneller en meer resultaten te krijgen dan in NEMO. Er is wel enig risico dat de gevormde aminozuren kapot gaan.”

De chemicus verwacht meer informatie te genereren dan Miller en Urey in hun tijd konden. “We hebben nu betere scheidings- en karakteriseringsmethoden.” De analyse gebeurt door middel van chromatografie en massaspectrometrie. Met deze technieken kun je op moleculair niveau verbindingen scheiden en identificeren.

De omstandigheden aan de TU/e zijn in beginsel hetzelfde als bij Miller en Urey. Later wordt er gevarieerd. Zo worden er verschillende gassen gebruikt. “We willen onder meer koolstofdioxide toevoegen als extra bron van zuurstof. Pure zuurstof zal niet gaan, want dan ontploft de boel misschien”, licht Van Dongen toe.

De betrokkenen hopen meer en eventueel ook andere resultaten te vinden dan de twee Amerikanen. “Het is echt afwachten. Het is niet voor niets een experiment. Mogelijk ontstaan er in de NEMO-opstelling ook wel peptiden. We kunnen naar verwachting ook één en ander leren over plasma’s”, vertelt Van Dongen. Steeds als er iets ‘nieuws’ is aan de TU/e, wordt dat gemeld bij NEMO. Bezoekers krijgen via een ‘nieuwsknop’ bij de opstelling toegang tot de informatie.

 

Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen

“Dit experiment past uitstekend in onze doelstellingen”, vertelt ir. Sagitta Peters, businessmanager bij het ICMS. “We willen antwoorden vinden op vragen die we hebben over complexe vormen en zelforganisatie van moleculen. We zijn ook nieuwsgierig naar het ontstaan van de eerste cel. Hoe bouw je complexe moleculen op?” Zelforganisatie -een complex samenspel van moleculen- zou hebben geleid tot de unieke en gecontroleerde opbouw van primitieve cellen.

“Verder hebben we wetenschapspopularisatie hoog in het vaandel staan en daar is dit experiment een uitgelezen mogelijkheid voor. We willen mensen laten zien hoe belangrijk, maar ook hoe leuk wetenschap is. We zijn erg enthousiast over de samenwerking met NEMO.”

Het instituut ging op 1 april 2008 van start. Wetenschappers van de faculteiten Scheikundige Technologie, Biomedische Technologie, Wiskunde & Informatica, Technische Natuurkunde en Werktuigbouwkunde hebben hierin hun krachten gebundeld.

 

Wetenschappelijke theorieën over het ontstaan van het leven

Met de oerknal zou alles zijn begonnen, zo zeggen veel wetenschappers. De sterrenstelsels en planeten, waaronder onze eigen aarde, zijn daaruit ontstaan. Over hoe vervolgens leven op aarde ontstond, bestaan verschillende wetenschappelijke theorieën. Naast de hiervoor besproken oersoeptheorie, wordt bijvoorbeeld ook gesproken over chemische reacties bij black smokers. Dit zijn openingen in de aardkorst op de oceaanbodem die heet water en mineralen uitstoten. Een vulkanische schoorsteen of black smoker biedt een geschikte leefomgeving voor verschillende extremofielen. Dit zijn organismen die in extreme omstandigheden leven. Extremofielen die geen zuurstof nodig hebben, gebruiken in plaats daarvan vaak zwavel. Een andere theorie beschrijft hoe meteorieten de organische bouwstenen naar de aarde hebben gebracht.
Ontstaan leven/Judith van Gaal
Foto’s/Bart van Overbeeke