4. Eenvoudig leven: een oxymoron (3)

DNA bouwen

DNA (desoxyribonucleïnezuur) bevat de blauwdruk van een levend organisme. Het is de verzameling gedetailleerde instructies dat beschrijft en regelt wat het organisme is en zal worden. Als de eiwitten de bouwmaterialen voor een huis zijn, dan is het DNA de verzameling bouwtekeningen. In samenwerking met RNA (ribonucleïnezuur) verzorgt het DNA dat gedurende het kopiëren van de cel nieuwe eiwitten uit aminozuren in de juiste volgorde en structuur gebouwd kunnen worden. Dit gebeurt door “het lezen” van de biochemische instructies – informatie – die vastgelegd zijn op het DNA.

Het maken van DNA en RNA zou nog een vele malen groter probleem zijn dan het vormen van eiwitten. Deze moleculen zijn vele malen complexer dan onze “simpele” eiwit moleculen. Een DNA-molecuul bestaat uit twee lange ketens of strengen die precies als puzzelstukjes in elkaar passen. Elk van deze twee strengen heeft een ruggengraat van afwisselend een suiker en een fosfaatgroep. Elke link in de ketting heeft een base welke een letter van de genetische code kan spellen. Er zijn vier soorten basen, ofwel vier verschillende genetische letters: Adenine (A), Thymine (T), Cytosine (C) of Guanine (G). De A in een streng past enkel tegenover de T in de tegenoverliggende streng en de G past enkel tegenover de C (een G zal zich dus bijvoorbeeld nooit aan een T of een A binden). Hoewel er dus maar vier verschillende 'codeletters' zijn is het aantal mogelijke lettercombinaties van een stukje DNA van slechts honderd van deze zogenaamde DNA baseparen al astronomisch groot (4¹⁰⁰ ofwel 1,6 x 10⁶⁰). Dus net als ons alfabet kunnen combinaties van deze vier DNA-letters elke mogelijke genetische instructie spellen.

Een paar chromosomen

DNA maakt het mogelijk voor een cel om functionele eiwit moleculen te bouwen uit de voorraad aanwezige aminozuren. Speciaal voor dit doel zijn er specifieke delen van het DNA wat de volgorde van de aminozuren in het eiwit specificeren. Om een eiwit molecuul te bouwen wordt de DNA code ontrafeld in zogenaamde RNA strengen welke drieletter “woorden” bevatten – een woord per aminozuur. Elk drieletter woord bevat dus de code voor een uniek aminozuur. DNA is gecombineerd met eiwit in structurele eenheden, chromosomen genaamd. Deze komen gewoonlijk in identieke (gespiegelde) paren voor (23 paren in een menselijke cel). Het chromosoom lijkt op een enkel, zeer lang, opgerold molecuul van miljoenen en miljoenen (tot wel 250 miljoen in het menselijk chromosoom) DNA baseparen. De DNA baseparen linken de twee chromosomen tezamen (zie figuur 5-2[1]).

Op het chromosoom vormen grote groepen van DNA basen functionele eenheden die genen worden genoemd. Een gen bevindt zich op een vaste plaats op het chromosoom. Het is in feite een reeks DNA basen (elke base specificeert een letter uit de genetische code) die samen een eenheid van genetische informatie vormen. Een gemiddeld gen in het menselijk lichaam is ongeveer 3.000 DNA basen lang). Elke gen bevat de genetische informatie voor het vormen van een eiwit en de erfelijkheidsinformatie van een bepaalde eigenschap (of groep van eigenschappen) die worden doorgegeven van de ene generatie naar de volgende. Alle chromosomen tezamen bevatten alle informatie die nodig is om een identieke kopie van de cel te kunnen bouwen.

De hoeveelheid informatie die opgeslagen is in het menselijk DNA is bijna onbegrijpelijk. Elk van ons begint tijdens de bevruchting als een kleine balletje ter grootte van een punt op een getypte bladzijde. In dit kleine balletje is meer dan 1,80 meter DNA opgeslagen. Dit DNA legt onze toekomstige eigenschappen (bruin haar, blauwe ogen enz.) vast op een manier zoals een boek gelezen kan worden. Elke cel in het menselijk lichaam bevat een complete kopie van al dit DNA. Dat betekent dat elke cel ongeveer 3 miljard DNA baseparen bevat met een geschat aantal van 20.000 tot 25.000 genen. [2] Een gemiddelde pagina tekst bevat 2000 tot 2500 letters. Het aantal DNA letters van elke individuele cel is dan gelijk met de informatie van een boek met 1,5 miljoen bladzijden. Dat is een stapel papier van ongeveer 188 meter hoog – en dat is slechts 1 cel. Men schat het aantal cellen in een gemiddeld menselijk lichaam op 50 biljoen (dat is een 5 met 13 nullen, ofwel 5 x 10¹³). Dus de totale hoeveel informatie die is vastgelegd in al de cellen van een gemiddeld persoon is gelijk aan een stapel papier van 188 meter hoog vermenigvuldigd met 50 biljoen = 9 biljoen (9 x 10¹²) kilometer hoog. Om een beter begrip te kunnen krijgen voor dit onwaarschijnlijk grote getal is een illustratie nodig. De afstand van onze aarde tot de verstverwijderde planeet (Pluto) is ongeveer 6 miljard (6 x 10⁹) kilometer. Ofwel, de stapel papier met daarop uitgeschreven alle genetische informatie van alle cellen in een gemiddeld menselijk lichaam zou een hoogte hebben van meer dan 1500 maal de afstand tussen ons en Pluto!

In 2003 werd het Human Genome Project[3] van de US Department of Energy en de National Institutes of Health afgerond. Dit project heeft 13 jaar nodig gehad om de volgorde van de baseparen en de 26 chromosomen op het menselijk DNA (ook het menselijk genoom genoemd) te bepalen en deze informatie op te slaan in een enorme database. Deze gigantische inspanning heeft ons een kaart gegeven van alle genen/DNA letters. Er is echter nog weinig kennis van wat welke karakteristieken regelt, noch over hoe het werkt. Meer werk is momenteel gaande om deze informatie aan te vullen met de identificatie van alle genen op het menselijk genoom.

Figuur 5- 3 : DNA is opgeslagen in chromosomen. Genen op het chromosoom specificeren de samenstelling van eiwitten. Eiwitten werken samen om nieuw celmateriaal te bouwen en specifieke functies te vervullen.

Zou zo’n nagenoeg onbegrijpelijk complexe chemische structuur ooit kunnen ontstaan tengevolge van lukrake processen en enorm veel tijd? We hebben eerder gezien hoe onwaarschijnlijk het is dat een “eenvoudige” eiwit molecuul bij toeval zou kunnen ontstaan. Het is moeilijk om te berekenen wat de statistische kans voor een DNA molecuul is om onder de meest perfecte condities door uitsluitend toevallige omstandigheden gevormd te worden. Schattingen voor deze kansen voor het toevallig vormen van DNA[4] zoals we dat aantreffen in een eencellig levend organisme (ongeveer 100 genen) liggen in de orde van 1 in 10³⁰⁰⁰ tot 1 in 10^{100.000.000.000}. Wat de kans ook exact mag zijn, het is duidelijk dat dit een statistische onmogelijkheid is.

Moleculaire machines

In de huizenbouw is het niet voldoende om alle bouwmaterialen en de bouwplannen op de bouwplaats af te leveren. Uiteraard gebeurt er niets totdat de werkers arriveren. Om de plannen te lezen, de materialen te bewerken en alles in elkaar te zetten is arbeid nodig.

Zo ook in een levende cel. Als we de aminozuren en eiwitten vergelijken met de bouwmaterialen en het DNA met de bouwplannen, dan zijn de moleculaire machines de arbeiders. Zij leveren het werk dat nodig is om de verschillende componenten van de levende cel samen te stellen volgens de DNA bouwtekening.

Deze machines, gemaakt uit eiwitten, gebruiken de informatie van het DNA/RNA om eiwitten samen te stellen en te vormen, DNA te kopiëren, nieuwe cellen te bouwen en nieuwe moleculaire machines te construeren. Moleculaire machines werken in de cel en transporteren aminozuren naar eiwit productiecentra. Deze productiecentra zijn ook moleculaire machines en worden ribosomen genoemd. Andere moleculaire machines zetten moleculaire schakelaars aan en uit, soms om de cel te laten afsterven, soms om de cel te laten groeien. Moleculaire machines zetten zonlicht om in energie en slaan dit op in chemicaliën. Elektrische machines verzorgen de stroom die door de zenuwen loopt. Productiemachines bouwen andere moleculaire machines en/of zichzelf. Cellen zwemmen gebruik makend van machines, kopiëren zichzelf met machines en nemen voedsel op met machines. Kortgezegd, onvoorstelbare, extreem geavanceerde moleculaire machines regelen elk proces in de cel.

Het behoeft geen verdere uitleg dat deze machines uitermate complex en uitgekiend zijn. De moleculaire machines zijn de robots die zonder hulp van buitenaf nieuwe cellen en nieuwe robots bouwen.

We bezitten nu de technologie om op het niveau van de cel deze machines te kunnen bestuderen en in actie te zien. Moleculaire biologen kunnen hun samenstelling analyseren, hun functie begrijpen en versteld staan van hun complexiteit. Evolutionaire wetenschappers zijn nog niet in staat geweest een mogelijke verklaring van hun bestaan te vinden.

“Past al het leven in Darwin’s evolutietheorie? … Als je in de wetenschappelijke literatuur over evolutie zoekt naar een verklaring over hoe moleculaire machines – de basis van het leven – zijn ontwikkeld, dan tref je een enge en complete stilte aan. De complexiteit van de fundering van het leven heeft de wetenschap verlamd in haar poging om het uit te leggen… Ik denk niet dat Darwin’s mechanisme het moleculaire leven kan uitleggen.”[5]

Lees verder: (4) Meer complicaties - evolutionaire modellen