Lee Cronin will Materie zum Leben erwecken

Bevor Leben auf der Erde existierte, gab es nur Materie, anorganischen, toten "Stoff". Wie unwahrscheinlich ist es, dass Leben entstand? Und - könnte das Leben eine andere Art von Chemie verwenden? Der Chemiker Lee Cronin zieht eine elegante Definition des Begriffs Leben heran (alles, was sich evolutionär weiterentwickeln kann) und geht dieser Frage nach, indem er versucht, eine vollständig anorganische Zelle zu schaffen. Dabei benutzt er einen "Lego-Baukasten" anorganischer Moleküle - keinen Kohlenstoff -, die sich miteinander verbinden, sich replizieren und miteinander konkurrieren können.

Was ich in den nächsten 15 Minuten versuchen werde zu tun, ist,

Ihnen von einer Idee zu erzählen,

wie wir Materie zum Leben erwecken werden.

Dies mag ein bisschen ambitioniert erscheinen,

aber wenn Sie sich selbst betrachten, Ihre Hände anschauen,

dann erkennen Sie, dass Sie lebendig sind.

Das ist ein Ausgangspunkt.

Nun, diese Reise begann vor vier Milliarden Jahren auf dem Planeten Erde.

Es gab vier Milliarden Jahre

organischen, biologischen Lebens.

Und als ein Experte für anorganische Chemie

habe ich Freunde und Kollegen, die unterscheiden

zwischen der organischen, lebendigen Welt

und der anorganischen, leblosen Welt.

Und was ich versuchen werde, ist, einige Ideen vorzustellen,

wie wir anorganische, tote Materie in

lebendige Materie, in anorganische Biologie umwandeln können.

Bevor wir das tun,

möchte ich Biologie in gewisser Weise in ihre Schranken weisen.

Ich bin außerordentlich fasziniert von Biologie.

Ich liebe es, synthetische Biologie zu betreiben.

Ich liebe Dinge, die lebendig sind.

Ich liebe es, die Infrastruktur der Biologie zu manipulieren.

Aber innerhalb dieser Infrastruktur

müssen wir uns daran erinnern,

dass die treibende Kraft hinter der Biologie

von der Evolution ausgeht.

Und Evolution,

obwohl sie schon vor über 100 Jahren von Charles Darwin festgestellt wurde,

und von einer großen Anzahl anderer Menschen,

ist immer noch recht schwer greifbar.

Und wenn ich von der Darwin'schen Evolution spreche,

meine ich eine einzige Sache,

nämlich das Überleben der Geeignetsten.

Vernachlässigen Sie also Evolution

auf metaphysische Art und Weise.

Betrachten Sie Evolution als etwas,

bei dem Nachkommen miteinander konkurrieren

und manche gewinnen.

Das also im Hinterkopf behaltend,

stellte ich mir, als Chemiker,

die biologisch frustrierende Frage:

Was ist die kleinste Einheit von Materie,

die Darwin'sche Evolution durchlaufen kann.

Dies scheint eine recht tiefgründige Frage zu sein.

Und als Chemiker

sind wir mit tiefgründigen Fragen nicht jeden Tag konfrontiert.

Als ich also darüber nachdachte,

erkannte ich plötzlich,

dass Biologie uns die Antwort lieferte.

In der Tat ist die kleinste stoffliche Einheit,

die sich unabhängig weiterentwickeln kann,

eine einzelne Zelle -

ein Bakterium.

Dies wirft drei sehr interessante Fragen auf:

Was ist Leben?

Ist Biologie besonders?

Biologen scheinen das zu denken.

Kann Materie eine Evolution durchlaufen?

Wenn wir diese Fragen in umgekehrter Reihenfolge beantworten,

die dritte Frage - kann Materie eine Evolution durchlaufen? -

wenn wir dies beantworten können,

dann werden wir wissen, wie besonders Biologie ist,

und vielleicht werden wir

eine Vorstellung davon bekommen, was Leben wirklich ist.

Hier ist ein bisschen anorganisches Leben.

Dies ist ein toter Kristall,

und ich werde etwas mit ihm anstellen

und er wird lebendig werden.

Und Sie können sehen,

er befruchtet, keimt, wächst in gewisser Weise.

Dies ist ein anorganisches Röhrchen.

Und all diese Kristalle hier unter dem Mikroskop

waren vor ein paar Minuten leblos, und nun sehen sie lebendig aus.

Natürlich sind sie nicht lebendig.

Es ist ein chemisches Experiment, bei dem ich einen Kristallgarten geschaffen habe.

Aber als ich dies gesehen habe, war ich wirklich fasziniert,

weil er wie lebendig erschien.

Und während ich eine kleine Pause einlege, schauen Sie auf die Leinwand.

Sie können dort eine Architektur wachsen sehen, die den leeren Raum füllt.

Und sie ist leblos.

Ich war also überzeugt,

wenn wir Dinge kreieren können, die Leben imitieren,

lasst uns einen Schritt weitergehen.

Lasst uns sehen, ob wir tatsächlich Leben schaffen können.

Aber da gibt es ein Problem,

denn bis vor vielleicht einem Jahrzehnt

wurde uns zu verstehen gegeben, dass Leben unmöglich war

und dass wir das unglaublichste Wunder im Universum waren.

In der Tat waren wir die einzigen Menschen

im Universum.

Nun, das ist ein bisschen langweilig.

Als ein Chemiker

wollte ich sagen: "Moment. Was geht hier vor?

Ist Leben wirklich so unwahrscheinlich?"

Und das ist wirklich die Frage.

Ich denke, dass die Entstehung der ersten Zellen vielleicht

so wahrscheinlich war wie die Entstehung der Sterne.

Und lassen Sie uns noch einen Schritt weitergehen.

Sagen wir,

dass, falls die Physik der Fusion

in das Universum encodiert ist,

es die Physik des Lebens vielleicht auch ist.

Das Problem mit Chemikern -

und das ist gleichzeitig ein massiver Vorteil -

ist, wir mögen es, uns auf unsere Elemente zu konzentrieren.

In der Biologie spielt Kohlenstoff die zentrale Rolle.

Und in einem Universum, in dem Kohlenstoff existiert

und organische Biologie,

dort haben wir dann diese wunderbare Mannigfaltigkeit des Lebens.

Wir haben sogar erstaunliche Lebensformen, die wir manipulieren können.

Wir sind sehr, sehr vorsichtig im Labor,

um Biogefährdung zu vermeiden.

Nun, wie sieht es mit Materie aus?

Falls wir Materie zum Leben erwecken können, hätten wir dann eine Materiengefährdung?

Dies ist eine ernste Frage.

Wenn Ihr Füller sich replizieren könnte,

würde das ein kleines Problem darstellen.

Also müssen wir anders denken,

wenn wir Stoff zum Leben erwecken wollen.

Und wir müssen uns auch der Probleme bewusst sein.

Aber bevor wir Leben erschaffen können,

lassen Sie uns eine Sekunde darüber nachdenken,

wodurch Leben wirklich charakterisiert ist.

Entschuldigen Sie das komplizierte Diagramm.

Das ist nur eine Sammlung von Pfaden in der Zelle.

Und die Zelle ist natürlich für uns

eine faszinierende Sache.

In der synthetischen Biologie wird sie manipuliert.

Chemiker versuchen, die Moleküle zu studieren, um Krankheiten zu untersuchen.

Und man hat all diese Pfade, die nebeneinander herlaufen.

Man hat Regulation;

Information wird transkribiert;

Katalysatoren werden geschaffen; Sachen passieren.

Aber was tut eine Zelle?

Nun, sie teilt sich, sie konkurriert mit anderen,

sie überlebt.

Und ich denke, das ist, wo wir ansetzen sollten,

wenn wir darüber nachdenken,

auf unsere Ideen im Leben aufzubauen.

Aber welche anderen Dinge charakterisieren das Leben?

Nun, ich stelle es mir vor

wie eine Flamme in einer Flasche.

Und was wir hier haben,

ist eine Beschreibung von einzelnen Zellen,

die sich replizieren, Stoffwechsel betreiben,

Chemie verbrennen.

Und wir müssen verstehen,

dass wir, wenn wir künstliches Leben schaffen oder den Ursprung des Lebens verstehen wollen,

es irgendwie mit Energie versorgen müssen.

Bevor wir also wirklich damit beginnen können, Leben zu erschaffen,

müssen wir wirklich darüber nachdenken, woher es stammt.

Und Darwin selbst stellte in einem Brief an einen Kollegen die Vermutung an,

dass Leben wahrscheinlich zustande kam

irgendwo in einem warmen kleinen Teich -

vielleicht nicht in Schottland, vielleicht in Afrika,

vielleicht irgendwo anders.

Aber die wahre Antwort ist, wir wissen es einfach nicht,

weil es ein Problem gibt mit dem Ausgangspunkt.

Stellen Sie sich die Zeit vor viereinhalb Milliarden Jahren vor,

dort gibt es eine gewaltige chemische Suppe von Stoff.

Und aus diesem Stoff gingen wir hervor.

Wenn Sie also über die Unwahrscheinlichkeit nachdenken

von dem, was ich Ihnen in den nächsten paar Minuten erzählen werde,

denken Sie nur daran,

wir sind aus Stoff auf dem Planeten Erde hervorgegangen.

Und wir haben verschiedene Welten durchlaufen.

Die RNA-Menschen würden über die RNA-Welt reden.

Wir sind irgendwie bei Proteinen und DNA angelangt.

Und dann sind wir beim letzten Vorfahren angekommen.

Evolution begann - und das ist der coole Teil.

Und nun sind wir hier.

Aber es gibt eine Barriere, die man nicht überwinden kann.

Man kann das Genom dekodieren, man kann zurückblicken,

man kann uns alle durch eine mitochondrische DNA verbinden,

aber wir können nicht über den letzten Vorfahren hinauskommen,

die letzte sichtbare Zelle,

die wir sequenzieren oder an die wir uns zurückerinnern könnten.

Wir wissen also nicht, wie wir hierhergekommen sind.

Also gibt es zwei Möglichkeiten:

intelligentes Design, direkt und indirekt -

also Gott

oder mein Freund.

Zu sagen, dass E.T. oder anderes Leben uns hierher gebracht hat,

schiebt das Problem nur weiter auf.

Ich bin kein Politiker, ich bin ein Wissenschaftler.

Die andere Sache, über die wir nachdenken müssen,

ist das Auftreten von chemischer Komplexität.

Das erscheint am wahrscheinlichsten.

Wir haben also irgendeine Art Ursuppe.

Und diese stellt eine gute Quelle

aller 20 Aminosäuren dar.

Und irgendwie

werden diese Aminosäuren miteinander kombiniert

und Leben beginnt.

Aber was bedeutet das, "Leben beginnt"?

Was ist Leben? Was ist dieser Stoff des Lebens?

In den 1950er Jahren

führten Miller-Urey ihr fantastisches chemisches Frankenstein-Experiment durch,

bei dem sie das Äquivalent in der chemischen Welt taten.

Sie namen Grundzutaten, gaben sie in einen Behälter

und entzündeten sie

und leiteten eine hohe elektrische Spannung hindurch.

Und sie schauten sich an, was sich in der Suppe befand,

und sie fanden Aminosäuren,

aber nichts ging daraus hervor, es gab keine Zelle.

Das ganze Gebiet saß eine Weile lang fest

und es wurde wieder aufgegriffen in den 80er Jahren,

als analytische Technologien und Computertechnologien aufkamen.

In meinem eigenen Labor

versuchen wir, anorganisches Leben zu kreieren,

indem wir viele verschiedene Reaktionsformate benutzen.

Wir versuchen also, Reaktionen durchzuführen -

nicht in einem Kolben, sondern in Dutzenden von Kolben,

und dann verbinden wir sie,

wie Sie hier bei diesem Durchlaufsystem sehen können, all diese Röhrchen.

Wir können es mikrofluidisch machen, wir können es lithografisch machen,

wir können es in einem 3D-Drucker machen,

wir können es für Kollegen in Tröpfchenform machen.

Und der zentrale Punkt ist es, viel komplexe Chemie zu haben,

die vor sich hin brodelt.

Aber das wird wahrscheinlich in Misserfolg enden,

also müssen wir etwas fokussierter sein.

Und die Antwort ist, natürlich, in Mäusen zu finden.

So erinnere ich mich als Chemiker daran, was ich benötige.

Ich sage: "Nun, ich will Moleküle."

Aber ich brauche Stoffwechsel, ich brauche Energie.

Ich brauche Information und ich brauche einen Container.

Denn wenn ich Evolution sehen möchte,

dann brauche ich Container, die miteinander konkurrieren.

Wenn man einen Container hat,

ist das, wie wenn man in sein Auto steigt.

"Dies ist mein Auto,

und ich werde herumfahren und mein Auto zur Schau stellen."

Und ich stelle mir vor, dass man in der Zellbiologie

etwas ähnliches hat

bei der Entstehung von Leben.

Die Kombination dieser Dinge bringt uns Evolution, vielleicht.

Und der Weg, dies im Labor zu testen,

besteht darin, es minimal zu halten.

Wir werden also versuchen,

einen anorganischen Lego-Baukasten von Molekülen zusammenzustellen.

Entschuldigen Sie die Moleküle auf dem Bildschirm,

aber dies ist ein sehr einfacher Baukasten.

Es gibt hier nur drei oder vier verschiedene Typen von Bausteinen.

Und wir können sie verbinden

und wortwörtlich Tausende und Abertausende

von wirklich großen nanomolekularen Molekülen kreieren,

in derselben Größe wie DNA und Proteine,

aber es ist kein Kohlenstoff in Sicht.

Kohlenstoff ist schlecht.

Mit diesem Lego-Baukasten

haben wir also die benötigte Diversität

für komplexe Informationsspeicherung

ohne DNA.

Aber wir müssen ein paar Container herstellen.

Und erst vor ein paar Monaten schafften wir es

in meinem Labor, mit Hilfe genau dieser Moleküle Zellen zu erschaffen.

Sie können auf dem Bildschirm sehen, wie eine Zelle gemacht wird.

Und wir werden nun etwas Chemie hineintun und etwas Chemie in dieser Zelle betreiben.

Und ich wollte Ihnen nur zeigen,

dass wir Moleküle in Membranen

aufbauen können, in wirklichen Zellen,

und dann setzt es eine Art molekularen Darwinismus in Gang,

ein molekulares Überleben der Bestangepassten.

Und dieser Film hier

zeigt den Konkurrenzkampf zwischen Molekülen.

Moleküle konkurrieren um Stoff.

Sie sind alle aus dem gleichen Stoff gemacht,

aber sie wollen, dass ihre Form gewinnt.

Sie wollen, dass ihre Form fortbesteht.

Und das ist der Schlüssel.

Wenn wir diese Moleküle irgendwie dazu veranlassen können,

miteinander zu kommunizieren und die richtigen Formen herzustellen und zu konkurrieren,

dann werden sie beginnen, Zellen zu formen,

die sich replizieren und miteinander konkurrieren.

Wenn wir es schaffen, das zu tun,

vergessen Sie die molekularen Details.

Lassen Sie uns herauszoomen, um herauszufinden, was das bedeuten könnte.

Wir haben also diese spezielle Evolutionstheorie,

die nur die organische Biologie betrifft, uns.

Wenn wir Evolution in die stoffliche Welt bringen könnten,

dann schlage ich vor, dass wir eine generelle Evolutionstheorie haben sollten.

Und darüber lohnt es sich wirklich nachzudenken.

Kontrolliert Evolution

die Differenziertheit von Materie im Universum?

Gibt es in der Evolution eine treibende Kraft,

die es Materie erlaubt, zu konkurrieren?

Das bedeutet, dass wir dann damit beginnen könnten,

andere Plattformen zu entwickeln,

um diese Evolution zu untersuchen.

Stellen Sie sich vor,

wenn wir es schaffen, eine autarke künstliche Lebensform zu kreieren,

dann wird uns das nicht nur etwas über den Ursprung des Lebens erzählen -

dass es möglich ist, dass das Universum keinen Kohlenstoff braucht, um lebendig zu sein;

es kann alles benutzen -

wir können einen Schritt weiter gehen und neue Technologien entwickeln,

weil wir dann Softwarekontrolle benutzen können,

in der Evolution kodieren kann.

Stellen Sie sich also vor, wir machen eine kleine Zelle.

Wir wollen sie in die Umwelt verpflanzen

und wir wollen, dass sie ihre Energie von der Sonne erhält.

Was wir tun, ist, sie in einer beleuchteten Box einzuschließen.

Und wir benutzen kein Design mehr. Wir finden heraus, was funktioniert.

Wir sollten unsere Inspiration aus der Biologie nehmen.

Biologie kümmert sich nicht um das Design,

es sei denn, es funktioniert.

Dies wird also die Art,

wie wir Dinge gestalten, reorganisieren.

Aber nicht nur das,

wir werden beginnen, darüber nachzudenken,

wie wir eine symbiotische Beziehung mit der Biologie entwickeln können.

Wäre es nicht toll,

wenn man diese künstlichen biologischen Zellen nehmen

und sie mit biologischen Zellen fusionieren könnte,

um Probleme zu korrigieren, die wir nicht beseitigen konnten?

Das wirkliche Problem in der Zellbiologie ist,

dass wir nie alles verstehen werden können,

weil es ein multidimensionales Problem ist, das von der Evolution ausgeht.

Evolution kann nicht auseinander genommen werden.

Man muss irgendwie die Passungsfunktion finden.

Und die tiefgründige Erkenntnis für mich

ist, dass, falls dies funktioniert,

das Konzept des egoistischen Gens eine Stufe höher steigt

und wir damit beginnen, über egoistische Materie zu sprechen.

Und was bedeutet das in einem Universum,

in dem wir momentan die höchste Form von Stoff sind?

Sie sitzen in Sesseln.

Diese sind leblos, nicht am Leben.

Aber Sie sind aus Stoff gemacht und Sie benutzen Stoff

und Sie beherrschen Stoff.

Evolution zu benutzen,

in der Biologie

und in der organischen Biologie,

ist für mich recht anziehend, ziemlich spannend.

Und wir nähern uns daran an,

die entscheidenden Schritte zu verstehen,

die toten Stoff zum Leben erwecken.

Und noch einmal, wenn Sie darüber nachdenken, wie unwahrscheinlich dies ist,

erinnern Sie sich, vor fünf Milliarden Jahren

gab es uns nicht, und es gab kein Leben.

Was wird uns das also erzählen

über den Ursprung und die Bedeutung des Lebens?

Als Chemiker möchte ich vielleicht

von generellen Begriffen Abstand nehmen.

Ich möchte über Besonderheiten nachdenken.

Was bedeutet das im Hinblick auf die Definition des Lebens?

Wir mühen uns wirklich ab, dies zu tun.

Und ich denke, wenn wir anorganische Biologie herstellen können

und Materie dazu bringen können, sich weiterzuentwickeln,

dann wird das in der Tat Leben definieren.

Ich schlage vor,

dass Materie, die sich weiterentwickeln kann, lebendig ist,

und dies liefert uns die Idee, Materie herzustellen, die sich weiterentwickeln kann.

Haben Sie vielen Dank.

(Applaus)

Chris Anderson: Nur eine kurze Frage bezüglich des Zeitrahmens.

Sie glauben, Sie werden in diesem Projekt erfolgreich sein?

Wann?

Lee Cronin: So viele Menschen glauben,

dass es Millionen von Jahren gedauert hat, bis Leben entstand.

Wir haben vor, es in nur ein paar Stunden zu tun,

sobald wir die richtige Chemie

zusammengestellt haben.

CA: Und wann, denken Sie, wird dies der Fall sein?

LC: Hoffentlich innerhalb der nächsten zwei Jahre.

CA: Das wäre eine große Story.

(Lachen)

Wie stehen Ihrer Ansicht nach die Chancen,

dass auf irgendeinem anderen Planeten

Leben herumläuft, das nicht auf Kohlenstoff basiert,

läuft oder kriecht oder so?

LC: Ich denke, sie liegt bei 100 Prozent.

Denn es ist so, wir sind so chauvinistisch im Hinblick auf Biologie,

wenn man Kohlenstoff entfernt, dann gibt es andere Dinge, die passieren können.

Ein anderer Punkt ist also,

wenn wir es schaffen, Leben zu kreieren, das nicht auf Kohlenstoff basiert,

vielleicht können wir NASA erzählen, wonach man wirklich Ausschau halten sollte.

Suchen Sie nicht nach Kohlenstoff, suchen Sie nach Stoff, der sich weiterentwickeln kann.

CA: Lee Cronin, viel Glück. (LC: Vielen Dank.)

(Applaus)