“De hoge druk –voor iedere kilometer diepte komt er 100 bar bij– maakt dat de kans op een redoxreactie tussen CO₂ en H₂ een stuk groter is dan onder atmosferische condities. Wat daarbij helpt is dat je CO₂ bij een lage pH hebt en H₂ bij een hoge, zodat de elektronen thermodynamisch gezien de energetische heuvel afgaan. Daarbij is wel een zetje nodig van een katalysator, waaraan het geoxideerde waterstof zijn elektron kan afgeven. De katalysator wordt vervolgens zelf geoxideerd door elektronen af te staan aan CO₂. De katalysator in kwestie is het FeS-complex dat wordt gevormd door de mineralen uit de CO₂-oplossing in het zeewater en de H₂-oplossing uit de hydrothermische bron. Deze vaste stof in de vorm van die microbuisjes maakt dat er een fysieke scheiding is tussen de beide oplossingen, zodat ze niet direct met elkaar mengen. Die constructie maakt het ook mogelijk om een fysieke richting aan de reactie te geven. Deze doelgerichte, zogenaamde vectoriële chemie, is heel gebruikelijk in de biologie met zijn membranen en celwanden en kan in die prebiotische omstandigheden net tot dat stapje extra hebben geleid om een basis te vormen voor het ontstaan van de eerste organische verbindingen, met name formaldehyde en formiaat, het anion van mierenzuur”, legt Eloi Camprubi Casas uit.

“Denk nu niet dat al deze stoplichten op groen een explosie aan organische verbindingen tot gevolg hadden”, relativeert de postdoc, die onlangs zijn driejarige fellowship bij het Origins Center aan de Universiteit Utrecht heeft afgesloten. “In 99,99% van alle gevallen zal de fysieke scheiding niet voldoen en als het dan eens lukte is het nog maar de vraag of de organische reacties zich verder konden diversificeren. In de 800 miljoen jaar dat deze processen speelden zullen er vele ‘origins of life’ zijn ontstaan, die in de loop der tijd ook weer zijn uitgestorven. Alleen die van ons heeft het gered!”

Makkie

Autotroof

Voor de hypothese dat de FeS-gekatalyseerde reactie van H₂ met CO₂ de initiële energiebron is voor de origin of life –de zogenaamde autotrofe origin of life– ziet bioloog/biochemicus Eloi ondersteunend bewijs in verschillende biologische systemen. “De archea of oerbacteriën zijn dichter gerelateerd aan het ontstaan van leven dan ieder ander organisme. De oudste groepen hieruit maken methaan of azijnzuur en gebruiken daarvoor als enige energiebron de reactie tussen H₂ en CO₂. En ook wat dichter bij huis, onder andere in ons eigen lichaam, zien we dat enzymen met een actief centrum van ijzer-zwavelclusters heel efficiënt organische moleculen kunnen vormen vanuit C- en H-bronnen.”

Kijken in de toekomst

Eloi hoopt naast formaldehyde en formiaat ook verdere reactieproducten van het reactieve formaldehyde te vinden, zoals methaan. Belangrijk uitdaging hierbij is dat je de gevonden verbindingen daadwerkelijk aan de reactie in de chip kan toeschrijven en het geen vals-positieven zijn ten gevolge van verontreinigingen. Analyse vindt in eerste instantie plaats met proton-NMR, zodat je een goed beeld hebt van alle mogelijke stoffen in het reactiemengsel. Vervolgens kan met GC en GC/MS worden ingezoomd op specifieke verbindingen. De ‘proof of the pudding’ moet dan komen uit experimenten met 13C-CO₂ .

De resultaten uit het onderzoek van Eloi zijn niet alleen van toepassing op het verre verleden, maar hebben ook implicaties op de toekomst. “Buitenaards leven spreekt erg tot de verbeelding. Dat hebben we nog niet gevonden, maar we weten ook niet zo goed waarnaar we moeten zoeken. Nu is het nog zo dat iedere verbinding die ergens wordt gemeten meteen wordt gebombardeerd tot ‘aanwijzing voor buitenaards leven’. Maar vaak zijn er ook andere verklaringen voor te geven”, stelt Eloi.

Wat dat betreft ziet de onderzoeker uit naar zijn volgende fellowship aan het Earth-Life Science Institute in Tokyo, waar hij zal werken aan geo-elektrochemie aan organozwavelverbindingen: chemie in het verlengde van waar hij in Utrecht naar zocht. “Ik zal daarvoor met een groep in China samenwerken die met drukken tot 500 bar werkt, met chips die zijn gemaakt van artificiële diamanten. Wie weet kunnen we daar nog wat experimenten met CO₂ en H₂ doen!”

Magic angle

De voorbehandeling van de CO₂-oplossing heeft wel impact op het uiteindelijke volume waarmee je een experiment kan doen. De injectoren hebben plek voor 10 ml; in de praktijk moet Eloi het doen met 5 ml per kanaal. “Met een flow van 10 µl/min heb je dan voldoende voor drie uur experimenteren. Die lage snelheid is essentieel om voldoende tijd te hebben voor een goede interactie met de katalysator en de veronderstelde redoxreactie te laten verlopen. “Om die katalysator te maken is aan het CO₂-mengsel ijzerdichloride toegevoegd, en aan het H₂-mengsel natriumsulfaat. Die vormen in een deel van de chip –de magic angle– een neerslag, waar de twee vloeistoffen langs stromen zonder te mengen. Deze barrière is net als de microbuisjes in de vroegaardse zeebodem geleidend voor elektronen, zodat waterstof kan worden geoxideerd en zijn elektron aan de katalysator kan geven. De katalysator wordt geoxideerd door elektronen af te staan aan CO₂. Op die manier heb je ook een reactie met een duidelijke richting in de ruimte.”

In vergelijking met waterstof is CO₂ een stuk gemakkelijker op te lossen. Aanvankelijk wilde Eloi dat doen met behulp van natriumbicarbonaat en dan de pH zodanig regelen dat je vooral CO₂ hebt. Daarbij ontstonden echter veel gasbelletjes, waardoor te weinig kooldioxide in de oplossing achterbleef. Het bubbelen van CO₂ door reeds ontgast water (er mag absoluut geen zuurstof inzitten) levert al rond de 3 bar de benodigde verzadiging. Voor het opzuigen in de injector kon dezelfde trukendoos worden gebruikt als bij de stroom met waterstof. Door de injector vast te zetten kan je zodanig veel druk opbouwen dat al het gas is opgelost.

Waterstof oplossen

Het hardware design van de simulator, die vanwege de noodzaak van een zuurstofloze atmosfeer volledig in een glovebox is ondergebracht, is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Da Vinci Laboratory Solutions. De expertise van de engineers kwam met name tot zijn recht bij een inventieve oplossing voor het onder hoge druk toepassen van de met waterstof verzadigde waterige oplossing. “H₂ kan alleen maar onder druk in water worden opgelost, waarbij de apolaire gasmoleculen door de druk in de oplossing worden geduwd. In ons geval hebben we die oplossing in een klein reservoir gebracht, dat we vervolgens afsluiten. Daarna laten we er vanaf de onderkant waterstof in bubbelen. Die accumuleert in de headspace van het reservoir en zal door verdere drukopbouw in de oplossing komen. Door hier ‘overnight’ mee door te gaan is de volgende dag de vloeistof verzadigd met waterstof en gereed voor je experiment”, beschrijft Eloi het relatief gemakkelijke deel van het waterstofverhaal.

Moeilijker werd het om met die oplossing aan de slag te gaan zonder de hoge druk te verliezen. Voor het pompen van de oplossing was gekozen voor een hogedruk injectiepomp, die hoge drukken kan genereren en, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een HPLC-pomp, ook kan weerstaan. “Bij het leegzuigen van het reservoir neemt de druk af. Voor die drukverlaging konden we compenseren door de gastoevoer open te houden. Maar daardoor kwam er ook gas in de pomp. Dat konden we ondervangen door bij het aanzuigen de gastoevoer even af te sluiten. Dat leidde weer tot een volgend probleem in de vorm van het ontstaan van een vacuüm, waardoor er geen flow was. Als je dan de kraan openzet daalt de druk en is er sprake van ontgassing van de oplossing. Om dat tegen te gaan hebben we het volgende trucje bedacht: omdat de vloeistof nog in de injector zit kan je de druk weer opvoeren door aan te zuigen zonder dat de inhoud eruit gaat. Ook zorg je er zo voor dat al het gas weer in de vloeistof komt”, aldus Eloi.

Tricky business

Bij het ontwerpen van de simulator kwam Eloi er al snel achter dat onderzoekers en bedrijven die aan hogedruk microfluidics doen uiterst dungezaaid zijn. Na drie jaar sleutelen weet hij ook waarom. “It’s very tricky business”, vat hij samen. “Omdat je onder hoge druk werkt, moet je hele tubing zijn uitgevoerd in roestvrij staal. Dat heeft als nadeel dat je bij een verstopping niet kan zien waar die in het systeem zit. De kanalen van de microfluidics-chip, waar de reactie zich afspeelt, zijn uiteraard niet in rvs uit te voeren. Die zijn meestal van een polycarbonaat, dat chemisch gezien relatief stabiel is. Maar als je ze spoelt met HCl, dat ik gebruik om schoon te maken, komen er toch stoffen vrij. Dat wil je kost wat kost vermijden, want in mijn experimenten moet ik hele kleine hoeveelheden organische stoffen meten. Als ik dan materialen gebruik die dergelijke stoffen afgeven is dat lastig. We hebben derhalve gekozen voor glas, dat echter bij hoge drukken nog wel breekbaar was. Door de chip in een aangepaste behuizing onder te brengen konden drukken tot 70 bar worden weerstaan. Verder is het rvs-materiaal door Da Vinci gecoat met UltraSilc en zo voorzien van een extra inerte laag.”

Onder hoge druk

Alles op groen

Ergens tussen de 4,3 en 3,5 miljard jaar geleden waren er, volgens een sinds dertig jaar populaire theorie achter het ontstaan van het leven op aarde, ideale omstandigheden voor een redoxreactie waar in een normale labsituatie nauwelijks gang in te krijgen is. De aarde was in die tijd bijna volledig bedekt met ijzerrijke oceanen, die hoge concentraties aan CO₂ bevatten, waardoor ze licht zuur waren. Op de bodem van die enorme waterpartij stroomde heel geleidelijk vanuit talloze zogenaamde hydrothermische bronnen een alkalische mix van waterstof en met name sulfaten het zeewater in. Dat stromen kan je nog het beste vergelijken met het proces van een espressomachine, waarbij water onder druk door een met koffie gevulde zeef met kleine gaatjes wordt geperst. In de veronderstelde werkelijkheid van de begintijd van de aarde zijn die gaatjes microbuisjes die bestaan uit minerale complexen, die spontaan zijn gevormd door de interactie van het ijzer uit het zeewater en het sulfaat uit de hydrothermische bron.

De kanaaltjes in de microfluidics-chip zijn zo geconfigureerd dat de CO₂- en H₂-vloeistoffen langs elkaar heen stromen en alleen via de katalysator elektronen uitwisselen.

Hoe plausibel de theoretische onderbouwing ook mag zijn, voordat Eloi bij het Origins Center begon met zijn onderzoek, was er wereldwijd maar één groep die in de buurt kwam met een stukje experimenteel bewijs. Niet geheel ontoevallig was dat een vakgroep waar Eloi zijn PhD-onderzoek deed, het department of Genetics, Evolution and Environment van het University College London. “We hebben de ‘spontane’ vorming van formaldehyde en formiaat uit CO₂ en H₂ gezien. Echter dat gebeurde bij lage drukken (1,5 bar) en grote volumes in de orde van liters reactant. In die opzet lukte het niet om de experimenten te reproduceren, wat samenhangt met de grote spreiding in factoren als stroming en warmteverdeling.”

Het idee van Eloi was derhalve om de experimenten onder hogere druk uit te voeren en bij (veel) kleinere volumina. Door hiervoor microfluidics in te zetten kan je de proces- en reactieomstandigheden veel beter onder controle houden, wat ten goede komt aan de reproduceerbaarheid. De uitdaging zat hem vooral in de realisatie van de simulator-opstelling. “Ik heb bijna drie jaar van het onderzoek besteed aan het bouwen van de opstelling, waarbij veel praktische expertise moest worden opgebouwd, applicatiespecifieke aanpassingen moesten worden gemaakt door leveranciers, noem maar op. Pas aan het einde van mijn fellowship kon ik de beoogde experimenten uitvoeren, niet alleen letterlijk, maar ook figuurlijk onder hoge druk”, lacht Eloi, die daarover om publicatietechnische redenen nog geen uitspraak kan doen.

"H₂ kan alleen maar onder druk in water worden opgelost, waarbij de apolaire gasmoleculen door de druk in de oplossing worden geduwd."

In de simulator worden twee injectorpompen toegepast voor het onder hoge druk voorzien in een constante flow voor een met CO₂ respectievelijk H₂ verzadigde oplossing. Rechts daarvan is de door Da Vinci ontworpen voorziening te zien voor het onder hoge druk opbouwen van de H₂-concentratie. De koppen van injectorpompen en de roestvrijstalen materialen in de opstelling zijn voorzien van een inerte UltraSilc coating.

De in glas uitgevoerde microfluidics-chip is ondergebracht in een aangepaste behuizing om drukken tot 70 bar te kunnen weerstaan.