Een opmerkelijke symbiose

Tussen de zandkorrels van de zeebodem leeft een platworm die in de jaren 70 ontdekt werd. Het diertje heeft geen mond en verteringskanaal. Het was tot nu toe een mysterie hoe deze dieren aan voedsel kwamen. Nu heeft men ontdekt dat deze Paracatenula reeds 500 miljoen jaar geleden een symbiose aanging met een bacterie. Daarmee is het de oudste symbiose tussen dier en een chemoautotrofe bacterie.

Paracatenula

Er bestaan op de oceaanbodem nabij de hydrothermale bronnen reuzenwormen zonder mond die ook gebruik maken van symbiose met bacteriën. Deze bacteriën oxideren sulfide (H2S) waarbij de energie die daarbij vrijkomt gebruikt wordt voor het fixeren van CO2, iets wat ook de planten doen door middel van fotosynthese met gebruik van licht. De symbionten staan deze koolstofcomponenten af aan de gastheer die daarvan leeft.

Er zijn vele dieren die een dergelijke symbiose aangaan. Maar ondanks de grote verscheidenheid aan gastheren waren de symbionten gelimiteerd tot gamma- en epsilon-proteobacteriën. In het geval van onze platworm Paracatenula, is de symbiont een alfa-proteobacterie, die ook wel Riegeria genoemd wordt. Nu zijn er organellen in onze cellen (van alle planten en dieren), de mitochondriën, die afstammen van deze alfa-proteobacteriën. Blijkbaar is deze bacterie erin geslaagd verschillende keren en op verschillende manieren een symbiont te worden, zowel buiten als binnen de cel van de gastheer. In Paracatenula leeft de symbiont Riegera in bacteriocyten, dus in gespecialiseerde organen in de platworm. De bacterie maakt voor 50% deel uit van het totale weefsel van de platworm.

Het bijzondere is ook dat de symbiont, die door de ouderworm wordt doorgegeven aan het nageslacht, nooit veranderd is gedurende de laatste 500 miljoen jaar !

Uit Physorg.com

Een nieuwe Bacterie-familie

In zijn artikel (pdf) over mitochondriën stelt Mark J. Pallen de vraag of deze als bacteriën ingedeeld moeten of kunnen worden. De meeste microbiologen en celbiologen zijn bewust van het feit dat mitochondriën afstammen van endosymbiontische bacteriën en ze kunnen zich daar goed in vinden. Het is daarom een kleine stap mitochondriën als bacteriën te beschouwen. De manier waarop we de wereld beschrijven beïnvloedt immers de manier waarop we erover denken.

Cyanobacteria

Mitochondriën zijn de energieproducerende organellen van onze cellen. Simpel gesteld bestaat de levende wereld uit of cellen mét mitochondriën of bacteriën (zonder mitochondriën). Reeds in 1890 stelde de Duitse bioloog Richard Altman de term ‘bioplasten’ voor en beschouwde mitochondriën als autonome levensvormen vergelijkbaar met bacteriën.

De taxonomie van alle levensvormen is voortdurend aan aanpassingen onderhevig. Taxonomische groepen zouden alleen geldig moeten zijn als het gaat om monofyletische groepen die uitsluitend bestaan uit de afstammelingen van een enkele gemeenschappelijke voorouder. Vogels worden tegenwoordig als dinosauriërs gezien terwijl vissen (klasse Pisces) en reptielen (klasse Reptilia) geen geldige taxa meer zijn omdat vissen samen met tetrapoden ingedeeld zouden moeten worden en reptielen samen met vogels. Voor de classificeerders betekent dit dat als men het heeft over dinosauriërs er eigenlijk ‘niet-vliegende’ dinosauriërs bedoeld worden.

In de microbiologie worden organismen geclassificeerd naar hun genetische sequentie. Deze manier van classificeren toont aan dat ook de mitochondriën deel uitmaken van het domein bacteriën ofwel dat mitochondriën bacteriën zijn! Ze hebben recht op hun eigen familie: de Mitochondriaceae. Alle menselijke mitochondriën kunnen zo geclassificeerd worden als een enkele soort die Candidatus Mitochondrion lacksi genaamd zou moeten worden naar Henriette Lacks, de meest overvloedige bron van mitochondriën op Aarde.

Als we accepteren dat mitochondriën bacteriën zijn dan moeten de records herschreven worden. Het eerste bacteriële genoom werd niet ontcijferd door Craig Venter in 1995, maar door de Nobelprijswinnaar Fred Sanger die de genetische sequentie van het menselijke mitochondriale genoom in kaart bracht in 1981. De meest succesvolle bacterie op Aarde zouden de mitochondriaceae zijn. Het meest voorkomende menselijke mitochondrion is dat van Henrietta Lacks wiens cellen over de hele wereld gebruikt worden in de verschillende laboratoria.

Mitochondrion

Het mitochondriale genoom is wel erg klein. Er zijn zelfs mitochondriën die hun hele genoom verloren hebben (mitosomen, hydrogenosomen). Gaat het in deze gevallen om heel ander organismen? Hoe komt het dat mitochondriën geen aanval van het immuunsysteem ondergaan? In werkelijk gebeurt dit wel, namelijk na een trauma aan de weefsels kan er een sepsis syndroom (bloedvergiftiging) ontstaan dat alleszins lijkt op een reactie op een infectie. Mutaties in het genoom van mitochondriën die veroorzaakt worden door vrije radicalen als gevolg van oxidatieve stress dragen bij tot veroudering. Kunnen we wellicht ooit ingrijpen in de enzymen die hier verantwoordelijk voor zijn en het verouderingsproces vertragen? Recente studies toonden aan dat bacteriële conjugatie mogelijk is in het cytoplasma van de cel; het is wellicht mogelijk genetisch materiaal in de mitochondriën te plaatsen via binnendringende E. coli en genetische therapie te bewerkstelligen.

Foto Mitochondrion en Cyanobacteria

Een splinternieuwe bacterie

Na 10 jaar is Craig Venter erin geslaagd een synthetisch genoom in een bacteriecel te plaatsen. De sequentie is een in het lab gesynthetiseerde copie van het chromosoom van een andere bacterie. De ontvangende bacterie was ontdaan van zijn oorspronkelijke chromosoom waarna het nieuwe erin geplaatst werd. Deze nieuwe bacterie gebruikte in eerste instantie al de eiwitten, de vertaal- en copieercomplexen die reeds aanwezig waren, maar na zo’n 30 generaties is al deze machinerie vervangen door eiwitten die gecodeerd werden door het nieuwe DNA. Deze doorbraak roept veel commentaar op. Dit is allemaal te lezen in de onderstaande links naar verschillende artikelen en blogs.

Dit plaatje gaat sinds gisteren de wereld rond. Hier zijn twee kolonies te zien van de nieuwe bacterie Mycoplasma Mycoides. Het gen lacZ kleurt deze kolonies blauw en toont aan dat het DNA met succes in de cel is geplaats en dat het functioneel is.

De bacterie is geen bewijs dat leven in het lab gecreëerd kan worden en vertelt niets over de oorsprong van het leven op Aarde. Wat dat betreft, zegt David Deamer, zou het boeiend kunnen zijn een zelfreplicerend en zelfcatalyserend synthetisch RNA-molecuul in een dergelijke bacterie te plaatsen om te zien of dit RNA in staat is een dode cel te doen leven. In dit geval zou er meer bewijs gevormd kunnen worden voor de RNA-wereld hypothese: een wereld die in eerste instantie bestond uit zelfreplicerend en -catalyserend RNA in plaats van eiwitten en/of DNA.

Er wordt gesproken over toepassingen waarbij bacteriën gecreëerd kunnen worden die bijvoorbeeld vervuilende stoffen als olie kunnen afbreken of nieuwe medicijnen kunnen aanmaken. Daarmee wordt er natuurlijk ook gesproken over de gevaren van het loslaten van een nieuwe bacterie in het milieu, wat een extra vervuiling zou kunnen betekenen. PZMeyers verwacht daarentegen dat deze breekbare bacterie bijzonder kleine overlevingskansen zal hebben ten opzichte van de in de natuur voorkomende door miljarden jaren evolutie geselecteerde bacteriën.
In de Volkskrant komt dit weekend de wetenschapsbijlage uit met een uitgebreid artikel hierover. Ik kan het helaas niet lezen van hieruit en heb zoveel mogelijk artikelen verzameld die hieronder te lezen zijn.

Het oorspronkelijke artikel (Pdf) is vrij toegankelijk.
Hier kan commentaar van verschillende wetenschappers gelezen worden.
Een artikel uit ScienceNews en vervolgens zijn er boeiende blogs van PZMeyers en Jerry Coyne.

Update:  Interview met Craig Venter. (youtube)
               TEDtalk by Craig Venter.
               Edge
               Nabeschouwing PZMeyers
               Craig Venter on the implications of the synthetic cell
               Special report NewScientist