Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven

journal.pbio.1001926.g002 gradient

Figuur 1: Boven de barrière het zeewater en daaronder de basische waterstroom. Op de grens daarvan en in het gradiënt bevindt zich de eerste benadering van een cel met lekkend membraan waar de OH- en H+ passief door verspreiden. Een eerste protonkanaal exploiteert het gradiënt voor de vorming van ATP of de assimilatie van koolstof door fixatie van CO2. doi:10.1371/journal.pbio.1001926.g002

Nick Lane houdt zich al lang bezig met onderzoek naar de oorsprong van leven in hydrothermale bronnen. Daarover schreef ik verschillende blogs, waaronder deze voorgaande die de hypothese simpel weergeeft. Alkaline hydrothermale bronnen bestaan uit een poreuze schoorsteen waar door de wand een proton gradiënt bestaat. Het basische water met hoog pH (dus weinig H+; de protonen) stroomt door de schoorsteen naar buiten. Aan de buitenkant van de schoorsteen is het pH lager (met relatief hoge concentratie aan H+). Dit verschil zorgt ervoor dat er een gradiënt bestaat tussen de binnenkant en buitenkant van de schoorsteenwand. Nu stelt de hypothese dat zich hier de eerste cellen vormden. Deze konden zich nestelen in de poriën van de wand en gedurende de lange evolutie tijden membranen, RNA/DNA en eiwitten vormen – de basis ingrediënten van cellen.

In hun laatste publicatie, die rijk is aan prachtige illustraties, gaan Nick Lane en medewerkers nog

Rechts de evolutie van bacteriën en links de evolutie van Archaea vanaf LUCA

Rechts de evolutie van bacteriën en links de evolutie van Archaea vanaf LUCA.  doi:10.1371/journal.pbio.1001927.g001

 

verder terug in de tijd en tonen met behulp van modellen voor membranen aan dat er eerste een soort lekkend membraan bestond, waarbij protonen vrijelijk konden passeren. Deze passage of dit gradiënt kon uitgebuit worden door een protonpomp, verbonden aan een ATP-ase die ATP (het universele betaalmiddel in alle organismen) kon produceren of waarbij CO2 geassimileerd en gefixeerd werd. Toch stroomt in deze lekkende cellen het grootste deel van de binnengestroomde protonen snel weg. Ze pasten hun model aan en toonden aan dat een vermindering van de lekkage een sterker gradiënt door de celwand creëert. Deze verbetering ging vermoedelijk samen met het ontstaan van een pomp die zowel natrium als protonen pompte in tegenovergestelde richting – de zogenaamde natrium (sodium) proton antiporter of SPAP. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat uitgebuit kon worden door een ATPase met promiscue activiteit ten aanzien van zowel natrium als protonen zoals het geval is voor primitieve ATPase. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat, samen met het natuurlijk bestaande gradiënt voor H+, uitgebuit kon worden om energie uit op te halen. Deze 60% toename in beschikbare energie, de capaciteit ook in minder sterke gradiënten te kunnen overleven en de beter sluitende membranen zouden de toekomstige cellen in staat moeten stellen andere ecologische niches te bewonen.
De SPAP gaf een groot voordeel gedurende de lekkende fase en bleef een goede uitvinding ook voor de meer sluitende membranen getuige het feit dat de fylogenese van dit eiwit aantoont dat het in LUCA, de laatste gemeenschappelijke universele voorouder van de cellen reeds aanwezig geweest moet zijn. Pas nadat er ook actieve pompen ontstonden werd het voordelig de membranen te dichten. Ook voor dit belangrijke facet hebben de onderzoekers modellen gemaakt. Het voert ver om ook dat helemaal te beschrijven. Het komt erop neer dat de verschillen in membranen tussen twee belangrijke domeinen van het leven, de Archaea en de bacteriën, voortkomen uit LUCA die waarschijnlijk een membraan van eenvoudige vetzuren had. De Archaea en bacteriën tonen elk kleine maar belangrijke verschillen tussen hun membranen, die te herleiden zijn naar een gemeenschappelijke voorouder met een lekkend membraan. Kortom, de identiteit van LUCA wordt volgens deze theorie steeds duidelijker. Hoe dit te rijmen is met het idee dat virussen aan de oorsprong stonden van de cellen en hun DNA zou eens beter belicht kunnen worden. Ook de RNA-wereld, die zijn oorsprong zou hebben in geothermale bronnen, laat zich moeilijk integreren in deze visie van de oorsprong van leven. Het wordt tijd dat wetenschappers als Nick Lane, Eugene Koonin, Patrick Forterre eens met elkaar gaan overleggen.

Het laatste nieuws uit Nature meldt dat men van plan is de zeebodem te gaan ontginnen op mineralen. Dit zou een gevaar kunnen betekenen voor de ecosystemen rondom de hydrothermale bronnen. We beginnen ons net de juiste vragen te stellen en het potentiele studieobject dreigt vernietigd te worden. Dat zou zonde zijn.

Uit: Sojo V, Pomiankowski A, Lane N (2014) A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria. PLoS Biol 12(8): e1001926. doi:10.1371/journal.pbio.1001926
Nature News: Health check for deep-sea mining. European project evaluates risks to delicate ecosystems.

4 Reacties op “De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven

  1. gert korthof september 8, 2014 om 09:42

    Marleen, hartelijk dank voor je blog over deze publicatie die ik nog niet kende.
    Het tweede plaatje is erg fraai en spreekt tot de verbeelding. Ik zie beneden in beeld een LUCA met een lekkende (lipiden?) membraan met een (groene) ATPase en een (paarse) SPAP. Die laatste twee ATPase en SPAP zijn toch zeer complexe specifieke eiwitten? Dat wijst er op dat we in de DNA/Protein fase van het leven zitten. Dus noodzakelijkerwijs compleet met genetische code, ribosomen, transcriptie, translatie, etc. Dat is ook in overeenstemming met het feit dat die cel met LUCA wordt aangeduid, “laatste gemeenschappelijke universele voorouder van de cellen”. Maar dan hebben we het niet over de oorsprong van het leven. Want een cel met DNA/protein systeem kan niet de eerste levensvorm geweest zijn en moet vooraf gegaan zijn door zoiets als de RNA-world. Daar is men het wel over eens. Dus wat ik uit jouw verhaal begrijp gaat dit onderzoek niet over de oorsprong van het leven, maar over de gemeenschappelijke voorouder van Archaea en Bacteria.

  2. Marleen september 8, 2014 om 12:25

    Dag Gert,

    Bedankt voor je reactie. Het klopt dat deze publicatie niet handelt over de oorsprong van leven. De titel van mijn bericht is inderdaad wat misleidend voor een insider. Het is wel zo dat het artikel het ontstaan van de eerste cellen betreft en dat alles zich afspeelt in de alkaline thermale bronnen, waarvan men denkt dat het leven daar zijn oorsprong had.
    Het ontstaan van de cel is eigenlijk een essentiële stap in het ontstaan van leven. Laten we niet opnieuw over virussen en metabolisme beginnen, maar het ontstaan van een cel is wel een essentiële stap voor het ontstaan van een minimum aan complexiteit in de levensvormen.

  3. gert korthof september 8, 2014 om 22:04

    Marleen, het ligt echt niet aan jou. Die hydrothermale bronnen staan al jaren synoniem voor de oorsprong van het leven. Dus logisch dat je dat associeert met de oorsprong van het leven. Misschien doen de auteurs dat ook.

  4. Pingback:De eerste puzzelstukjes in een onderwaterwereld | Op zoek naar de klepel

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: