Op een laboratoriumtafel, een handvol glazen flesjes die op een rocker zijn geplakt, zwaaien zachtjes heen en weer. In de flesjes, een mengsel van organische chemicaliën en kleine deeltjes dwaas goud roept een vraag op die schijnbaar verder gaat dan hun nederige uiterlijk:waar kwam het leven vandaan?

Theorie combineren met experiment, Wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison proberen te begrijpen hoe leven kan ontstaan ​​uit niet-leven. Onderzoekers van het UW-Madison Wisconsin Institute for Discovery voeren experimenten uit om het idee te testen dat levensechte chemische reacties zich gemakkelijk kunnen ontwikkelen onder de juiste omstandigheden. Het werk behandelt enkele van de diepste mysteries in de biologie, en heeft implicaties om te begrijpen hoe gewoon leven in het universum zou kunnen zijn.

David Baum, voorzitter en hoogleraar botanie aan UW-Madison en Discovery Fellow aan WID, denkt dat het vroegste leven mogelijk afhankelijk was van een primitief metabolisme dat oorspronkelijk begon op minerale oppervlakken. Veel centrale reacties in moderne cellen zijn afhankelijk van ijzer-zwavelkatalysatoren. Deze afhankelijkheid van ijzer en zwavel zou een record kunnen zijn dat in de cellen van de omgeving is gestempeld waar het metabolisme zelf zich voor het eerst ontwikkelde. Baum test dit idee door zich te wenden tot ijzerpyriet, een mineraal van ijzer en zwavel, beter bekend als het goud van de dwaas.

Samen met Mike Berg, een afgestudeerde student die onderzoek doet naar de oorsprong van het leven, Baum mengt microscopisch kleine kralen van ijzerpyriet met een bron van chemische energie en eenvoudige moleculaire bouwstenen. Terwijl flesjes van dit mengsel heen en weer schommelen in het laboratorium, kleine groepen chemicaliën die aan het minerale oppervlak zijn gebonden, kunnen aggregeren en elkaar gaan helpen bij het produceren van meer chemicaliën. Als, ze verspreiden zich waarschijnlijk naar andere ijzerpyrietkralen, nieuwe oppervlakken koloniseren.

Als Berg wat kralen in een nieuw flesje doet, de chemische groepen zouden zich kunnen blijven verspreiden. Generatie na generatie, flacon na flacon, de meest efficiënte en competitieve chemische mengsels zouden het meeste ijzerpyriet koloniseren. Dit is selectie. Zoals natuurlijke selectie, die de diversiteit en complexiteit van het leven op aarde heeft gecreëerd, selecteren op het koloniserend vermogen van deze chemische groepen kan levensechte chemische cycli onthullen die in de loop van de tijd kunnen veranderen.

"De visie waartoe ik ben gekomen, is dat levensechte chemie relatief gemakkelijk opduikt in veel, veel geologische instellingen, " zegt Baum. "Dan verandert het probleem. Het is niet langer een probleem van 'zal het gebeuren, ' maar hoe zullen we weten dat het is gebeurd?"

Ze hebben tot nu toe meer dan 30 generaties doorgemaakt, en zoeken naar tekenen van verandering in de tijd, of dat nu warmteopwekking is, energieverbruik of de hoeveelheid materiaal die aan de kralen is gebonden.

Baum en UW-Madison-microbioloog en WID-systeembioloog Kalin Vetsigian publiceerden vorig jaar een paper waarin de experimenten werden geschetst, die mede gebaseerd zijn op het principe van buurtselectie. Normaal gesproken, natuurlijke selectie werkt op een populatie van individuen. Maar de wetenschappers stelden voor dat, ook al bestaan ​​er geen goed gedefinieerde individuen in de chemische mengsels, de moleculaire gemeenschappen die het beste zijn in het koloniseren van nieuwe oppervlakken zullen zegevieren, en wordt waarschijnlijk na verloop van tijd beter. Succesvolle eigenschappen van de gemeenschap als geheel kunnen worden geselecteerd en doorgegeven.

"Deze selectie op gemeenschapsniveau had kunnen plaatsvinden voordat er individuen waren met eigenschappen die zowel erfelijk als variabel waren, ", zegt Vetsigian. "Als je goede gemeenschappen hebt, ze zullen volhouden."

Het project ontving onlangs $ 2,5 miljoen aan financiering van NASA. Baum is de hoofdonderzoeker van het onderzoek, waaronder Vetsigian, UW-Madison chemicus Tehshik Yoon, en medewerkers van zeven andere instellingen.

Cellen hebben het soort metabolische reacties nodig dat Baum bestudeert om energie en de componenten van complexere moleculen te produceren. Ze hebben ook een manier nodig om informatie op te slaan. Alle levende cellen geven hun genetische informatie door met DNA. Maar UW-Madison-hoogleraar chemische en biologische engineering en WID-systeembioloog John Yin onderzoekt alternatieve manieren om informatie op te slaan en te verwerken met eenvoudigere moleculen in een poging te begrijpen hoe informatieopslag zou kunnen evolueren zonder cellen of DNA.

In navolging van de informatica, Yin werkt met de meest basale methode om informatie te coderen, binair. In plaats van elektronische bits, zijn enen en nullen zijn de twee eenvoudigste aminozuren, glycine en alanine. Met behulp van een unieke vorm van chemie, Yin droogt mengsels van de aminozuren uit om ze aan te moedigen om samen te voegen.

"We zien reproduceerbaar verschillende reeksen alanine en glycine onder verschillende omstandigheden, " legt Yin uit. "Dus dat is een eerste hint dat het product in sommige opzichten een manier is om een ​​bepaalde omgeving weer te geven."

De groep van Yin werkt aan de technisch uitdagende taak om deze sequenties van aminozuren te lezen, zodat ze de moleculaire informatie kunnen bijhouden. Het Yin-lab hoopt uiteindelijk groepen chemicaliën te ontdekken die deze moleculaire informatie kunnen voortbouwen om zichzelf te reproduceren. Voor zowel Baum als Yin, selecteerbare systemen vereisen deze cycli van chemicaliën die meer van elkaar kunnen maken, wat Yin 'de cirkel rond maken' noemt.

Het sluiten van de lus in het lab zal waarschijnlijk moeilijk zijn. Alleen experimenteren zal het zeker leren.

Yin, Baum en Vetsigian zijn niet alleen geïnteresseerd in hoe het leven op aarde is ontstaan, maar hoe het kon beginnen - waar dan ook. Als levensechte chemische reacties en moleculaire informatie gemakkelijk worden geproduceerd in het laboratorium, dat zou de calculus kunnen veranderen van hoe gewoon het leven op andere werelden zou kunnen zijn.

"Als we veel verschillende chemische stoffen vinden die levensechte reacties ondersteunen, we kunnen meer oorsprong van leven elders in het universum verwachten, ' zegt Baum.