Stilstaande evolutie, de nulhypothese

Evolutie van leven veronderstelt een ontwikkeling van organismen. De evolutietheorie van Darwin stelt dat soorten ontstaan door natuurlijke selectie. Het is moeilijk te testen of er bij afwezigheid van selectie toch evolutie plaatsvindt. Bijna elke omgeving of niche betekent competitie voor schaarse voedselbronnen en daaruit volgt een survival of the fittest. Nu heeft een groep onderzoekers organismen gevonden die al meer dan 2 miljard jaar niet geëvolueerd zijn. Het gaat hierbij om zwavel bacteriën.

Zij bestudeerden met speciale instrumenten zoals Raman spectrografie en confocale laser scan microscopie fossiele gesteenten van de zeebodem en vonden daarin fossiele filamenten van zwavel bacteriën. Wanneer ze deze vergeleken met de huidige zwavel bacteriën die op andere locaties leven zagen ze duidelijke overeenkomsten in de vorm en lengte van de filamenten. Zie de onderstaande figuur.

Hedendaagse en precambriaanse filamenteuze zwavelcyclerende micro-organismen. A en E Hedendaagse microben 7 – 9 micrometer in diameter vergeleken met fossielen van het 2,3 miljard jaar oude Turee Creek gesteente (B en F) en het 1,8 miljard jaar oude Duree Creek gesteente (C,D,G en H)

 

De gesteenten, die in het Australische Turee Creek en Duck Creek gevonden werden, dateren van resp. ca. 2,3 miljard jaar en 1,8 miljard jaar geleden. Deze perioden volgen op de Great Oxidation Event (GEO) en de ontwikkeling van deze zwavel bacteriën wordt gezien als een antwoord op de langzame toename van zuurstof in de atmosfeer. Daardoor konden deze bacteriën sulfaat (SO4^2-) en nitraat (NO^3-) metaboliseren, stoffen die alleen na oxidatie van zwavel en stikstof beschikbaar zijn. De tegenwoordige zwavel bacteriën, die zoveel op hun fossiele voorouders lijken, bevinden zich in de bodem in een relatief zuurstofloze omgeving, maar profiteren van het sulfaat en nitraat uit de iets hoger gelegen diepten. Zij nemen deel aan de zwavelcyclus waarin bacteriën het sulfaat reduceren tot waterstofsulfide, dat opnieuw geoxideerd kan worden tot het element zwavel met behulp van zuurstof uit de bovenliggende lagen. Het zwavel kan dan weer geoxideerd worden tot sulfaat door andere bacteriën.

De betreffende zwavel bacteriën worden gekenmerkt door hypobradytelic lifetyles ofwel, een leefstijl die niet veranderd is gedurende meer dan 2 miljard jaar. Deze onveranderde leefstijl vindt men ook bij de cyanobacteriën, die zeer competitief waren door de productie van het toenmalige voor veel organismen giftige zuurstof. Voor de zwavel bacteriën geldt dat er, sinds het ontstaan van de eerste microbiële groepen, weinig tot geen stimulering was tot aanpassing aan veranderende condities. Het zijn bewoners van relatief koude, rustige, zuurstofvrije sedimenten, waar geen dagelijks licht doordringt. Deze condities zijn hetzelfde sinds de vroege geschiedenis van de Aarde. Een omgeving die dus niet veranderde.

Het is daarom verleidelijk deze zwavel bacterie gemeenschappen als bewijs te zien van de “negatieve” nulhypothese van Darwiniaanse evolutie: als er geen verandering plaatsvindt in de biofysische omgeving van een goed aangepast ecosysteem, dan zou er geen soortvorming, geen evolutie van de vorm, de functie of de metabolische eisen van biotische componenten zijn. Maar er moet rekening gehouden worden met het feit dat de morfologie van de bacteriën uit convergente evolutie voortkomt en dat het metabolisme en de genomen van de precambriaanse bacteriën wellicht anders was. Het DNA kan helaas niet vergeleken worden. Er zijn bovendien relatief weinig fossielen gevonden, waardoor er ‘missing links’ lijken te bestaan. Mochten er meer van dergelijke fossielen gevonden worden die dit gat wat kunnen dichten dan zal het mogelijk zijn de nulhypothese voor Darwiniaanse evolutie te bevestigen.

Eerdere hier verschenen berichten behandelen zwavel bacteriën die elektriciteit in de zeebodem genereren en geven wat extra informatie over hun metabolisme en leefwijze (1, 2) .

 

Uit:  J. W. Schopf, A. B. Kudryavtsev, M. R. Walter, M. J. Van Kranendonk, K. H. Williforde, R. Kozdone, J. W. Valleye, V. A. Gallardol, C. Espinozal, D. T. Flannery; Sulfur-cycling fossil bacteria from the 1.8-Ga Duck Creek Formation provide promising evidence of evolution’s null hypothesis; PNAS 5 january 2015 J. William Schopf, doi: 10.1073/pnas.1419241112

De afbraak van plastic

Er is de laatste tijd veel nieuws over plastic en de vervuiling dat dit product veroorzaakt in het bijzonder in de oceaan. Er wordt langs stranden opgeruimd en gewerkt aan methodes zoals die van The Ocean Cleanup om het plastic in de oceanen op te ruimen. (Zie ook het bericht van Gert Korthof). Op de recent gehouden internationale conferentie “Our Ocean 2014” georganiseerd door John Kerry werd er ruim aandacht aan geschonken. Veel van het ‘macroscopische’ plastic verstrikt immers de zeedieren of wordt door ze verward met voedsel. Dit bekopen ze vervolgens met een vreselijke dood.

Het ‘macroscopische’ plastic heeft ook de tendens onder invloed van mechanische erosie en UV-licht te vervallen in ‘microscopisch’ plastic of microplastics. Deze microscopische deeltjes worden vervolgens door zooplankton opgenomen. Het zooplankton staat aan de basis van de voedselketen waardoor dit plastic in vissen en vogels terecht komt. Zo komt het uiteindelijk terecht in ons bord.

Een nieuwe studie laat zien dat er verschillende micro-organismen in de oceaan leven die zich associëren met dit plastic. Ze gaan er aan vast zitten, verzwaren dit drijvende plastic waardoor het naar de bodem zakt. Dit zou kunnen verklaren waarom er tot nu toe minder plastic in de oceanen gevonden is dan men zou verwachten. De studie laat zien dat sommige van deze organismen het microplastic lijken aan te vreten. Het gaat daarbij om diatomeeën. In een eerdere studie uit 2011 in Science bleek al dat ook bacteriën plastic lijken te degraderen. Daarin concludeerde men dat er sprake lijkt te zijn van een zogenaamde ‘plastisphere’ ofwel een kleine communiteit van bacteriën en eencellige algen. De mogelijke afbraak van plastic zou een tweede reden kunnen zijn waarom men minder plastic terugvindt dan verwacht.

Diatomeeën (groen) en potentiële plastic-etende bacterien (paars) op een stukje plastic afval. Credits: Julia Reisser en Jeremy Shaw

Recent (2014) verscheen er een review over plastic afbrekende bacteriën. Er wordt in gesteld dat deze bacteriën inderdaad in staat zijn om polyethyleen (het meest voorkomende plastic) af te breken. Het lijkt erop dat deze lange koolstofketens onder invloed van erosie en UV-licht gereduceerd worden waardoor ze van 10 tot 50 koolstofatomen bevatten. In deze toestand kunnen ze door de bacteriën aangetast worden. Welke enzymen daar precies voor verantwoordelijk zijn is nog niet duidelijk. Maar het lijkt wel degelijk te gaan om een heus metabolisme waarbij de koolstof uit het polyethyleen in de Krebscyclus terecht zou komen. Experimenten met radioactief gemarkeerd polyethyleen zouden dit moeten uitwijzen. Het is te hopen dat dit snel uitgezocht wordt.

Uit: Livescience (Julia Reisser)
NatureNews over het artikel in Science
International Biodeterioration & Biodegradation: Review (2014)

 

Levende elektrische bedrading

Er is wederom nieuws over een onderwerp waar ik al eerder over blogde. Het betrof de studie van micro-organismen in de zeebodem, een studie uit 2010. Hierin lieten de onderzoekers zien dat er in een laag modder van de zeebodem een elektrische stroom gegenereerd werd door de aanwezigheid van bacteriën en hun metabolisme. Het ging daarin om zwavelbacteriën die waterstofsulfide metaboliseren.

Uit Nature

De figuur laat zien dat er in de zeebodem een bovengelegen zone is die normaal zuurstof bevat. De onderste laag daarentegen bevat geen zuurstof. Nu is zuurstof een erg sterke elektronenacceptor die nodig is om de elektronen te accepteren die vrij komen gedurende het metabolisme van een cel. De bacteriën in de onderste laag missen zuurstof en dus een elektronenacceptor. Ondanks dit gemis waren de bacteriën in de onderste laag toch in staat elektronen kwijt te raken. Men hypotiseerde twee jaar geleden al dat deze bacteriën in staat waren nanodraden te creëren waarlangs zich het elektronentransport voltrok. Het was slechts nog een kwestie van zoeken of men deze in de modder terug kon vinden leek het.

De studie die gisteren door dezelfde groep gepubliceerd werd laat daarentegen zien dat het de bacteriën zelf zijn die draden vormen door als een meercellig organisme aan elkaar te kleven. De auteurs vermoeden dat de elektronenstroom zich langs deze bacteriedraden verplaatst en zodoende alle bacteriën die deel uitmaken van dit collectief in staat stelt hun metabolisme te voltooien, dat wil zeggen waterstofsulfide te metaboliseren.

De verschillende gegevens bij elkaar laten zien dat het gaat om draden van één of enkele centimeters lang terwijl deze bacteriën ongeveer één micrometer lang zijn. Het gaat om draden van miljoenen bacteriën en de auteurs spreken van meercellige organismen. Ze zouden zelfs lijken op onze elektriciteitsdraden, lang en dun met geleidend materiaal binnenin en isolerend materiaal aan de buitenkant. Nielsen, de leider van dit onderzoek denkt dat het zou kunnen gaan om één individu dat dus uit meerdere cellen bestaat.

Uit Nature

De bacteriën maken deel uit van een familie van Desulfobulbaceae maar hun genen verschillen zo veel van de andere leden van deze familie dat ze misschien wel een eigen plaats verdienen. Onder de elektronenmicroscoop zien de onderzoekers een 15 tot 17 richels aan het oppervlak van de bacteriën. In een transversale coupe zien zij eruit als tandwielen. De opeenvolgende cellen zijn omgeven door een continu en gemeenschappelijk membraan. Nielsen vermoedt dat het transport van elektronen zich in de richels voltrekt en dat het omhullende membraan als isolatiemateriaal fungeert.

Het transport van elektronen is kenmerkend voor het leven. Eigenlijk bezitten alle cellen de mogelijkheid op nanoniveau elektrische stroom te genereren. Eencellige organismen produceren stroom wanneer zij metaboliseren en elektronen transporteren langs de elektrontransportketen in het celmembraan die deel uitmaakt van het ademhalingsmechanisme ofwel de verbranding van voedsel van de cel. Maar wat deze bacteriën laten zien is uniek. Het belangrijkste dat de onderzoekers nu te doen staat is aan te tonen dat de stroom inderdaad door deze bacteriën gaat.

Uit: Nature Article, News and Views en Ed Yong

Zie ook het voorgaande blog over dit onderwerp.

 

Het microbioom van de mens

Nog niet zo lang geleden begon men zich te realiseren dat wij mensen een enorme flora aan microben bezitten die normaal gesproken grotendeels uit ‘goede’ bacteriën bestaat. Voor die tijd werden bacteriën voornamelijk beschouwd als ziekteverwekkers en zonder pardon bestreden met antibiotica. Dit laatste heeft niet alleen grote gevolgen voor de ontwikkeling van resistentie bij bacteriën, maar betekent ook voor ieder individu een aanslag op zijn of haar gezondheid die heel ingrijpende en langdurige gevolgen kan hebben.

Een kaart van de verscheidenheid binnen het menselijke microbioom (klik op de foto voor een grotere versie)

Het microbioom van de mens is het totaal aan microben (bacteriën, archaea en virussen) dat te vinden is op de huid, in holtes en spleten en vooral in het darmkanaal. Het aantal microben ligt rond de 10 voor elke menselijke cel. De afgelopen 5 jaar is voor het eerst het microbioom van 242 gezonde mensen gescreend. Deze gegevens maken deel uit van het Human Microbiome Project (HMP) waarvan de resultaten afgelopen juni gepubliceerd werden. De mensen zijn zorgvuldig geselecteerd omdat hun microbioom dat van een gezond mens moest vertegenwoordigen. Bij kleine infecties in de neus of bij een teen werden deze mensen van de studie uitgesloten. Hun microbioom moest dat van een zo gezond mogelijk mens zijn.

De bacteriën van het microbioom houden bijvoorbeeld onze huid soepel en vormen een barrière waardoor de slechte bacteriën niet tot de huid kunnen doordringen. Andere bacteriën zijn, zoals iedereen inmiddels weet, uitermate belangrijk voor het welzijn van onze darmen en de absorptie van voedsel. Uit deze studie is gebleken dat er enorme variaties van het microbioom zijn tussen mensen onderling en tussen de verschillende plekken van het lichaam. Ieder mens heeft een eigen identiteit voor wat betreft het microbioom. De verschillende microbiomen worden gekenmerkt door de variatie aan type bacteriën en door de relatieve hoeveelheid van elk type bacterie.

Nu er bij zowel wetenschappers als medici het besef begint te komen dat het microbioom zo belangrijk is voor onze gezondheid is er een nieuwe biomedische tak ontstaan die wel medische ecologie genoemd wordt. Hierin worden wij met ons microbioom beschouwd als ecologische systemen met hun eigen evenwicht. Dit evenwicht kan drastisch verstoord worden door gebruik van antibiotica waarbij het niet zo zeker is of het oude evenwicht na de kuur weer hersteld wordt. Nu wil niemand antibiotica uitbannen, maar er zijn aanwijzingen dat het gebruik ervan ook kan leiden tot obesitas en diabetes.

Het microbioom ontstaat bij de geboorte. Reeds in de vagina van de zwangere vrouw zijn er lactobacillen aanwezig die normaal alleen in de darmen gevonden worden. De zojuist geboren baby wordt ermee bedekt en sommige lactobacillen gaan deel uitmaken van de darmflora waar ze de melk verteren. Er zijn onder 16 zogende moeders wel 600 verschillende bacteriën gevonden in de melk. Er kwamen ook oligosachariden in voor, suikers die baby’s niet kunnen verteren, maar bepaalde bacteriën wel. Met de groei van het kind wordt het microbioom complexer en wordt het de ‘leermeester’ van het immuunsysteem. Experimenten op ‘steriele’ muizen hebben aangetoond dat het immuunsysteem in afwezigheid van microbioom juist ontstekingen veroorzaakt. Als volwassenen werden de muizen dan vaak astmatisch of leden aan chronische ontsteking van de darmen. Daar was niets meer tegen te doen. Als de jonge muizen daarentegen een microbioom ontvingen werden deze problemen voorkomen.

Nu het microbioom beter bekend is, is het wellicht mogelijk een verstoord microbioom te redden. Bijvoorbeeld door middel van huidcrèmes waarop de ‘goede’ bacterien zich kunnen voeden en de plaats innemen van een schadelijke Staphylococcus aureus bijvoorbeeld. Of door middel van een transplantatie van ontlasting van een gezonde naar een zieke darmflora. In 83% van de 124 transplantatiegevallen is dit met succes beloond. Het onderzoek is wetenschappelijk nog niet goedgekeurd omdat er geen controlegroep bestond. Deze methode is veelbelovend. Temeer het mogelijk is het metabolisme van suiker te veranderen door een transplantatie van darmflora van dunne mensen naar mensen met obesitas.

Het is nu nog een kwestie van overtuigen van artsen. Dezen houden vaak van smetteloze omgevingen en steriele handen, dus kan het wel even duren voordat zij ons ecosysteem met microbioom als iets positiefs beschouwen, iets dat zoveel mogelijk beschermd of geïntegreerd dient te worden.

Uit: Nature, Carl Zimmer, Ed Yong op de radio, Jonathan Eisen.

Een levende zee

Een week geleden was er in Londen een symposium over de oorsprong van het leven. Daar heeft men gedurende een dag gesproken over al het nieuws rond onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA = Last Universal Common Ancestor). LUCA wordt in het algemeen gezien als één cel en dan ook nog eens als een enkel exemplaar. Maar het ontstaan van het leven zou wel eens op een heel andere manier gegaan kunnen zijn.

Het mega-organisme: de zee.

Na vele jaren onderzoek is het nog steeds erg moeilijk te bepalen hoe het eerste leven eruit moet hebben gezien. Er zijn geen fossielen van de eerste cellen. Daarom zijn er erg veel verschillende theorieën over. Men ging er vooralsnog van uit dat het om een heel primitieve, eenvoudige cel ging. Er werd daarbij gedacht aan een bacterie. Dat was immers de meest rudimentaire cel die bekend was. Recente studies tonen echter aan dat LUCA reeds een redelijk complexe cel heeft moeten zijn, met eigen organellen. De bacteriën en Archaea zouden daar van afstammen. (Archaea vormen één van de drie domeinen van het leven en zijn net als bacteriën eencellig). Daarbij zouden bacteriën en Archaea een aantal functies of structuren verloren hebben en zo een gestroomlijnde versie van de oorspronkelijke LUCA zijn.

Nu hebben een aantal onderzoekers gekeken naar de stamboom van verschillende eiwitten van uiteenlopende organismen binnen de drie domeinen van het leven ofwel de Archaea, de bacteriën en de eukaryoten (alle planten en dieren zoals wijzelf). Daarbij keken ze naar de driedimensionale structuur van het eiwit in plaats van naar de sequentie. De sequentie kan namelijk enorm veranderen gedurende de evolutie en het is moeilijk daar een stamboom van te maken. Ze konden van zo’n 7 tot 11 % van de eiwitten van 420 organismen bepalen dat deze in al deze organismen voorkomen. Dat betekent dat deze eiwitten ook aanwezig geweest moeten zijn in onze laatste gemeenschappelijke voorouder. Deze eiwitten waren in staat voedingsstoffen af te breken en te assimileren, maar enzymen (katalyserende eiwitten) voor de bouw en het aflezen van het DNA ontbraken.

Als LUCA een cel was dan moet deze ook een membraan gehad hebben. Onderzoekers baseerden zich dit keer op membraaneiwitten om te concluderen dat het een heel simpel membraan moest zijn dat voornamelijk uit isoprenoiden bestond. Deze membranen waren behoorlijk lekkend en veel stoffen bewogen er vrij doorheen. LUCA moet ook organellen gehad hebben aangezien deze in alle drie de domeinen voorkomen.

Aangezien enzymen voor de bouw en het aflezen van DNA ontbraken is het waarschijnlijk dat LUCA geen DNA bezat, maar RNA. Deze laatste macromolecule is erg onstabiel maar er is wel van aangetoond dat deze enzymatische eigenschappen kan hebben. Dit RNA zou op zijn beurt meer kopieën van zichzelf of ander RNA kunnen maken. Er wordt al langer gespeculeerd over een mogelijke RNA-wereld. Dat wil zeggen een wereld waarin RNA de enige molecule was die informatie kon opslaan. De translatie van RNA naar eiwit was niet erg precies en LUCA moet erg slordige kopieer- en translatiemechanismen gehad hebben.

Tot zover LUCA als cel. Het nieuwe aan de gepresenteerde inzichten is dat de primordiale cellen met hun lekkende membranen veel genen en eiwitten uitwisselden. Er bestond als het ware een globale zee aan genetisch materiaal en eiwitten waarvan alle cellen oppikten wat ze nodig hadden, zonder enige vorm van competitie. Deze hele zee was één groot mega-organisme dat overleefde door deze globale distributie van alle benodigde moleculen: een levende zee.

Pas nadat de rudimentaire cellen alles zelf konden produceren waren ze in staat los van de gemeenschap te leven. Dit laatste is ongeveer wat er zo’n 2,9 miljard jaar geleden gebeurd moet zijn ; een moment in de evolutie van het leven dat overeenkwam met het verschijnen van de eerste zuurstof.

Uit NewScientist.

Met dank aan Rob van der Vlugt.

Leven op de oceaanbodem

De planten die leven aan het oppervlak van de Aarde maken gebruik van de energie van het zonlicht voor het produceren van biomassa. De dieren eten de planten en halen daar hun energie uit. Op de oceaanbodem dringt geen straaltje licht door en zou je geen leven verwachten. Zo’n dertig jaar geleden werd er op 2 à 3 km diepte tot ieders verbazing leven ontdekt, zoals kokerwormen, kreeftachtigen en mosselen. Hoe konden deze dieren overleven? Men trof ze aan rond de zogenaamde hydrothermale bronnen en wat het ook was dat hen deed overleven, het moest iets te maken hebben met deze bronnen.

mosselen bij de hydrothermale bron op de zeebodem

Veel van de dieren die er leven hebben geen mond en kunnen de chemicaliën die de bronnen uitstoten niet direct gebruiken. Maar inkorte tijd ontdekte men dat al deze dieren symbionten bij zich hadden: bacteriën die in staat zijn stoffen zoals waterstofsulfide (H2S) en methaan (CH4) te gebruiken voor hun metabolisme. Ze staan daarbij de productie van suikers af aan hun gastheer. Deze symbionten waren al langer bekend en leven ook als zelfstandige bacteriën. De bronnen produceren veel van deze gassen. Recent onderzoek laat nu zien dat er een derde symbiose mogelijk is waarbij waterstof (H2) als bron van elektronen voor het metabolisme dient.

De onderzoekers bestudeerden de mossel Bathymodiolus puteoserpentis en toonden aan dat in de kieuwen van deze mossel symbionten leefden. Sommige symbionten zijn in staat CH4 te gebruiken, terwijl andere zowel H2S als H2 gebruiken. Ze konden ook aantonen dat de symbionten het gen hupL bevatten. Dit gen codeert voor de hydrogenase die de reactie H2 → 2H+ en 2e- katalyseert. Ze verwachten dat deze symbiont ook bij veel andere diepzeedieren actief is.

De mossel Bathymodiolus puteoserpentis en zijn symbionten. Er is een doorsnede van een mossel te zien met op de kieuwen twee soorten bacteriën. De ene soort gebruikt CH4 + O2 en stoot CO2 uit. De andere soort gebruikt twee gassen: H2 + O2 waarbij water (H2O) vrijkomt en H2S + O2 waarbij SO4– (sulfaat) vrijkomt. Dit is een handgemaakte kopie naar een plaatje in Nature dat ik niet durf te plaatsen vanwege copyright.

Opmerkelijk zijn de technieken van de onderzoekers. Met op afstand bediende onderwaterschepen konden ze de consumptie van H2 door de mosselbedden meten en daarna enkele dieren omhoog halen. Het lukte ze vervolgens op de boot het metabolisme van de dieren te meten. Eenmaal terug in het lab toonden ze de aanwezigheid van het gen voor de hydrogenase aan. De studie laat zien dat het steeds makkelijker wordt de dieren in hun eigen habitat in plaats van in een kunstmatige omgeving als het laboratorium te bestuderen.

Tot slot dit prachige filmpje met David Attenborough met dank aan @Aad Verbaast over de hydrothermale bronnen en het leven dat daar te vinden is.

Uit Nature: article, news & views

Een pril begin

Na weer enkele nieuwe inzichten volgt hier de laatste versie van het verhaal van de evolutie van onze cellen. Daar is nog veel over te ontdekken en te onderzoeken. Van de evolutie van dieren en planten, die tijdens het Cambrium begon en die ook wel de Cambrische explosie wordt genoemd, heeft men aan de hand van fossielen, en nu ook met DNA-onderzoek, kunnen aantonen hoe zich die voltrok. De evolutie van de meest eenvoudige naar gecompliceerdere cellen daarentegen is eigenlijk pure theorie.

De cellen

Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee verschillende soorten cellen. De prokaryoten ofwel cellen zonder celkern en de eukaryoten, de cellen met celkern. Prokaryoten zijn simpel gezegd de bacteriën en zijn minder complex dan eukaryoten. De eukaryoten vormen de autonome cellen ofwel protisten (ééncellige diertjes) en de cellen van alle dieren, planten en schimmels. Behalve de celkern hebben eukaryoten nog veel meer organellen zoals de mitochondriën en het Golgi-apparaat die deze cellen complexer maken dan de bacteriecellen.

Nog niet zo lang geleden ging men er van uit dat de prokaryoten aan de oorsprong stonden van de eukaryoten; dat de prokaryoten ofwel bacteriën de eerste organismen op Aarde waren en dat de complexere eukaryoten daar uit evolueerden. Sinds kort wordt deze theoretische evolutielijn in twijfel getrokken en wordt er gesproken van een eukaryoot als voorouder van al het leven op Aarde. De prokaryoten (bacteriën) zouden daarvan afgeleid zijn als een soort gestroomlijnde, versimpelde afstammeling van de complexe cel. De vraag blijft natuurlijk hoe deze gecompliceerde cel kon bestaan als er nog geen bacteriën waren. De mitochondriën, die kenmerkend zijn voor de eukaryoot, stammen immers af van symbiotische bacteriën. Deze laatste zouden ooit door fagocytose (‘opslokken’) opgenomen zijn door een andere cel om de eukaryoot te vormen.

Recent is er een artikel gepubliceerd waarin een nieuw organel beschreven wordt, een acidocalcisome. Dit organel met bijbehorend enzym (V-H+PPase) is aanwezig in zowel prokaryoten als eukaryoten en suggereert opnieuw dat er voor beide één gemeenschappelijke voorouder bestond.

Het model waarin de eukaryoot de eerste voorouder van onze cellen was, wordt ondersteund door veel Franse wetenschappers

FECA en LECA

zoals Forterre en Labedan, die de eerste eukaryoot een protoeukaryoot noemen. Een onbekende blogger van de Universiteit van Indiana in Bloomington maakt onderscheid tussen een FECA en een LECA. FECA is de First Eucaryotic Common Ancestor en moet een erg simpel organisme geweest zijn dat eerst een celkern of eerst de mogelijkheid tot fagocytose had. LECA is de Last Eucaryotic Common Ancestor en heeft alle kenmerken van een eukaryoot (celkern, mitochondriën, fagocytose, Golgi enz.). Deze blogger schrijft dat het ontstaan van deze eerste cel tussen 0,8 en 3,5 miljard jaar geleden wordt ingeschat. Dat is een erg lange periode. Hijzelf denkt dat het rond de 1,5 miljard jaar geleden geweest moet zijn op basis van fossielvondsten en de moleculaire klok. De fossielenvondsten geven weinig uitsluitsel omdat het microfossielen zijn waarvan men vaak niet eens zeker is of deze ooit levend waren. Het blijft dus een zoeken en werken met theoretische modellen, al zou het onderzoek op protisten meer licht kunnen schijnen op de evolutie van de FECA en LECA.

Wanneer twee genomen elkaar mislopen

Bijna alle levensvormen bezitten twee genomen. Wanneer deze niet goed op elkaar afgestemd zijn kunnen er nare gevolgen zijn zoals snelle veroudering, ziekten als Alzheimer en kanker. Deze twee genomen bestaan uit het nucleair en het mitochondriale genoom. Het nucleair genoom verwijst naar het DNA waar we het doorgaans over hebben als we spreken van ‘de genen’. Maar een minstens zo belangrijk onderdeel van onze cellen zijn de mitochondriën. Ook zij bevatten een weliswaar klein genoom wat exact moet samenwerken met dat van de nucleus.

Hoewel de oceanen op Aarde zuurstofatomen in hun watermoleculen bevatten, was er in eerste instantie nog geen spoor van moleculair zuurstof (O2) te bekennen. De eerste bacteriën waren dan ook verplicht anaeroob. Enkele van deze bacteriën ontwikkelden de mogelijkheid de energie van het zonlicht te gebruiken door middel van fotosynthese. Zij produceerden zuurstof dat voor de anaerobe bacteriën giftig was. Enkele van deze bacteriën die zuurstof schuwden evolueerden de mogelijkheid om deze zuurstof te ademen. Deze laatste bacteriën vormen de voorouders van de mitochondriën. Een aantal werd door cellen verzwolgen en dit revolutioneerde het leven op Aarde; de eerste eukaryoten ofwel de eerste meercelligen konden zodoende ontstaan.*

De eucaryotische cel

Mitochondriën zijn organellen in de cel die verantwoordelijk zijn voor de ademhaling van de cel en het organisme. Alle biologen zijn het er inmiddels over eens dat deze mitochondriën afstammen van endosymbiontische bacteriën. Ze bezitten net als de aerobe bacteriën een elektronentransportketen in hun membraan die uiteindelijk zuurstof reduceert tot water.

Het mitochondrion heeft een eigen genoom. Dit genoom is gereduceerd vergeleken met dat van een bacterie en bevat de meest essentiële genen voor de interne functies van het mitochondrion. Het genoom van de mitochondriën is helemaal afgestemd op dat van de celkern. Beide genomen produceren de eiwitten die in de mitochondriën zorg dragen voor het elektronentransport. Deze eiwitten moeten perfect samenwerken. Is er een kleine discrepantie, veroorzaakt door een puntmutatie bijvoorbeeld, dan lekt het elektronentransport elektronen en worden er vrije radicalen gevormd.

Mitochondriën worden via de moeder doorgegeven in plaats van door beide ouders zoals het geval is met het nucleair genoom. Het mitochondriale genoom of mtDNA kan daarom gebruikt worden om stambomen te herleiden. Het zijn de eicellen die de mitochondriën van het toekomstige organisme bevatten. Deze zijn perfect afgestemd op het DNA van de nucleus. Nick Lane, een expert op het gebied van mitochondriën, beweert dat dit de reden is waarom er bijna uitsluitend twee geslachten bestaan in de planten- en dierenwereld. Eén geslacht, meestal de moeder, draagt behalve de (nucleaire) genen bij aan de mitochondriën en het andere geslacht voegt uitsluitend het vaderlijke deel van de genen toe.

Een groot probleem bij kloneren is het feit dat de mitochondriën van de ontvangende cel helemaal niets te maken hebben met het DNA

Gemuteerd mtDNA

van de nucleus. De celkern wordt immers geïnjecteerd in de eicel. Het is dan te verwachten dat een gekloneerd dier niet oud zal worden. De keten van het elektronentransport lekt natuurlijk en zorgt voor het ontstaan van vele vrije radicalen.

Nu is het mitochondriale genoom onderhevig aan een hoge mutatiesnelheid (3 tot 2,7 x 10^-5 per generatie van 20 jaar) vergeleken met dat van de nucleus (2,5 x 10^-8 per generatie van 20 jaar). Het mitochondriale DNA heeft nauwelijks reparatiesystemen van schade of andere mutaties en de mutatiesnelheid ligt dus hoger vergeleken met dat van de nucleus waar er een uitgebreid arsenaal aan reparatie-enzymen bestaat. Bovendien worden in de mitochondriën de ‘fouten’ makkelijker gefixeerd. Er zijn per cel immers meer mitochondriën en sommige ontbrekende functies in één mitochondrion worden eenvoudigweg getolereerd door de aanwezigheid van andere mitochondriën in dezelfde cel.

Dit betekent dat het mitochondriale genoom behoorlijk uit de pas kan lopen als deze ‘fouten’ accumuleren. Het elektronentransport, waaraan zowel het nucleaire als het mitochondriale genoom bijdragen, kan daardoor vrije radicalen produceren en de veroudering in gang zetten. Raakt een cel teveel beschadigd door al deze vrije radicalen dan wordt het proces van apoptose ingezet, ofwel een zelfmoordprogramma waarbij de cel zichzelf elimineert.

Het verschil in mitochondriën maakt het onmogelijk voor verschillende soorten om tussen elkaar te paren. Het ontstaan van hybriden is daardoor uitgesloten. Het was al lang duidelijk dat mitochondriën verantwoordelijk zijn voor de energiehuishouding van de cel. Sinds een aantal jaren is het duidelijk geworden, dankzij Nick Lane, dat deze organellen ook en vooral van essentieel belang zijn bij soortvorming en veroudering.

*Recent onderzoek wijst uit dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA) wel eens complexer zou hebben kunnen zijn dan tot nu toe werd aangenomen en dat deze reeds mitochondriën bezat die in een tweede moment verloren werden door de toekomstige bacteriën.

Uit: NotRocketScience (Ed Yong), Critics on Nick Lane’s: Power, Sex and Suicide, DecodedScience (met dank aan ingStHawk), W.M. Brown et al.

Darmflora verdeelt mensen in drie groepen

Het aantal bacteriecellen in onze darmen is wel 10 keer zo groot ons aantal lichaamscellen dat ongeveer 10 triljoen bedraagt. Deze flora beschermt ons tegen schadelijke bacteriën, helpt ons voedsel te verteren en produceert onmisbare vitaminen. We kunnen eigenlijk niet zonder ze. Een recente studie toont aan dat er drie soorten darmflora bestaan die losstaan van cultuur en voeding.

Darmflora

Men veronderstelde altijd dat iedereen een andere combinatie aan darmbacteriën bezit en dacht dat dit te maken had met cultuur en het soort voedsel. Het blijkt nu dat er tussen mensen uit verschillende landen en wereldstreken juist grote overeenkomsten kunnen zijn en dat de mens eigenlijk maar drie soorten darmflora bezit. Net als de vier bloedgroepen A, B, AB en O bestaan er drie soorten darmflora. Deze drie verschillende enterotypen worden bepaald door een evenwicht tussen de verschillend bacteriën. In het type 1 bijvoorbeeld is de soort Bacterioides relatief overvloedig aanwezig. In het type 2 is Prevotella de meest voorkomende bacterie.

Het onderzoek maakt gebruik van het screenen van feces waarbij er gekeken wordt naar de aanwezigheid van genen die specifiek zijn voor de verschillende bacteriesoorten. Op deze wijze ontstaat er een genetisch profiel van het microbioom.

Een tekortkoming van de studie is dat er alleen mensen uit geindustrialiseerde landen onderzocht zijn, die ongeveer hetzelfde voedsel eten. Zo werden er mensen uit Frankrijk, Italië, Spanje en Denemarken bestudeerd waarna ook resultaten uit Amerika en Japan werden toegevoegd. Om de studie te verbeteren zouden ook mensen uit afgelegen dorpen in Afrika of China bestudeerd moeten worden.

Het is nog onbekend waarom er drie soorten darmflora of enterotypen bestaan. Het zou kunnen dat vlak na de geboorte, wanneer onze darmen nog helemaal vrij zijn van bacteriën, de eerste binnenkomers bepalen welke volgende bacteriën worden toegelaten. Het is dus niet de mens en zijn dieet die bepalen welke flora hij bezit, maar het zijn de bacteriën onderling die bepalen wie er toegelaten wordt en wie niet. Deze drie enterotypen zijn onafhankelijk van leeftijd, geslacht, nationaliteit en lichaamsgewicht. Men vond wel dat er in de darmflora van ouderen meer bacteriële genen aanwezig waren voor het verteren van koolhydraten. Waarschijnlijk komt dit doordat ouderen moeilijk koolhydraten verteren, waardoor de bacteriën deze taak wel moeten overnemen als ze willen overleven in de darmen.

Het blijkt daarmee ook dat de genen zelf van de bacteriën een belangrijke rol spelen. Het genetisch microbioom (het totaal aan bacteriën in ons lichaam) levert, behalve de genen van vader en moeder, ook een bijdrage aan ons fenotype.

Helaas dringen er soms schadelijke bacteriën binnen zoals EHEC. Dit is een gevaarlijke bacterie omdat hij shega-toxine of verotoxine afscheidt die de darmwand aantast. Dit heeft HUS (Hemolytisch uremisch syndroom) tot gevolg. Momenteel is er in Duitsland een epidemie uitgebroken van een zeer agressieve variant. Hoe kon deze gevaarlijke variant ontstaan? Daarover gaat het volgende blog.

Uit New York Times (Carl Zimmer)

Over ons microbioom