Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: elektronentransport

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.

 

Advertenties

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.*

menselijke cel

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

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.

De expansie van genfamilies

Micro-organismen hebben geen fossielen achtergelaten en het is daarom onmogelijk te weten hoe het leven er miljarden jaren geleden uit zag. Alleen uit de periode van het Cambrium, zo’n 540 miljoen jaar geleden, bestaan de ons bekende fossielen van meercellige organismen. Door het vergelijken van een enorm aantal genen van verschillende levende organismen is men er desondanks toch in geslaagd terug te kijken in de tijd. Daarbij is het duidelijk geworden dat meer dan een kwart van de huidige genfamilies tussen de 2,8 en 3,5 miljard jaar geleden ontstonden. De onderzoekers noemen deze periode de ‘expansie van het Archaïcum’.

De onderzoekers van het MIT onderzochten 3,983 genfamilies van 100 verschillende organismen. Ze hielden daarbij rekening met

Archean Expansion

De expansie van het Archaicum. Klik op de afbeelding voor een grotere versie met zoom.

hoe genen evolueren. Nieuwe genen ontstaan en worden geërfd, ze kunnen uitgewisseld worden of via horizontale genentransfer doorgegeven worden, ze kunnen verdubbelen of verloren raken. Omdat alle organismen hun DNA erven van voorouderlijke genomen, konden ze, door deze genen te vergelijken, vaststellen dat genen voor het elektronentransport 3,3 miljard jaar geleden ontstonden. Het elektronentransport is essentieel in het proces van celademhaling en fotosynthese. De genen die verantwoordelijk zijn voor het gebruik van zuurstof verschenen 2,8 miljard jaar geleden, aan het eind van deze genetische expansie. Zuurstof zelf begon rond de 2,5 miljard jaar geleden deel uit te maken van de atmosfeer. Cyanobacteriën of uitgestorven verwanten waren de eerste organismen die zuurstof produceerden. Sommige teksten geven weer dat stromatolieten ofwel fossiele cyanobacteriën meer dan 3 miljard jaar oud zijn. De laatste inzichten spreken daarentegen van 2,8 miljard jaar; een gegeven dat overeenkomt met de tijd waarin zich ‘The Great Oxidation Event’ voordeed (de enorme stijging van zuurstof in de atmosfeer die gepaard ging met een massa-extinctie van anaerobe micro-organismen.) Zie hiervoor ook het voorgaande blog ‘De eerste adem‘.

Het elektronentransport bestaat uit de overdracht van elektronen via eiwitten die in het membraan liggen. De energie die daarbij vrijkomt creëert een gradiënt van ionen H+ die de ATP-pomp aandrijven. Deze pomp produceert ATP (Adenosinetrifosfaat), hét energie-molecuul van al het leven. Het elektronentransport verhoogt het rendement van ATP enorm vergeleken met eenvoudige fermentatie (gisting) en heeft het leven dus vele malen efficiënter gemaakt.

Uit Astrobiology, Molecular Biology of The Cell (Alberts), De eerste adem.

Zwervende gedachten

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

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

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 liken dit: