DNA en vulkanische rotsen

Al sinds de jaren zestig proberen onderzoekers Darwiniaanse evolutie te simuleren met replicerende DNA-strengen. Het is echter in veel experimenten gebleken dat replicatie van DNA in vitro voor een probleem zorgt. Bij deze kunstmatige replicatie blijken de fragmenten van DNA steeds korter te worden naarmate de replicatiecyclussen elkaar opvolgen. Kortere fragmenten repliceren namelijk sneller dan langere en zullen daardoor vlugger in aantal toenemen, waardoor de langere DNA-strengen uiteindelijk verminderen of ‘uitsterven’. Dit wordt wel het dilemma van Spiegelman genoemd, naar een pionier op het gebied van dit soort onderzoeken.

Nu is recent het nieuws verschenen dat dit dilemma vermeden kan worden. Er is door een groep onderzoekers van het Max Planck Instituut en Ludwig Maximilians Universiteit in Duitsland in eerste instantie aangetoond dat het mogelijk is de langere filamenten van kortere te scheiden. Door gebruik van capillaire buisjes, waardoor een vloeistof met DNA strengen stroomt en waarin een temperatuurgradiënt bestaat, laten ze zien dat de langere DNA strengen als gevolg van convectie en thermodiffusie aan de basis van dit buisje accumuleren.

Vervolgens werd er een experiment opgezet met Polymerase Chain Reaction (PCR). Dit enzym wordt doorgaans in laboratoria gebruikt om kleine hoeveelheden DNA te amplificeren met cycli van temperatuurwisselingen. Er werden DNA- strengen van verschillende lengte plus polymerase en primers in bufferoplossing door het buisje heen gestuurd. Er vindt zodoende replicatie van de verschillende DNA strengen plaats. Ook in dit geval accumuleerde de langere DNA-strengen. Het langere DNA wordt als het ware gevangen in het buisje, de kortere filamenten stromen met de vloeistof mee het buisje uit. Op de figuur kan gezien worden hoe de opgevangen fracties van de inhoud van het buisje kortere en langere DNA-strengen bevatten. Dit wordt aangetoond door middel van elektroforese van de verschillende fracties.

Een scala van dubbelstrengs DNA wordt geïnjecteerd in het capillaire buisje met lengtes variërend tussen 20 en 200 bp met stappen van 20. Het doorspoelen met buffer op de aangegeven snelheid (Vs) spoelt de lengtes tot en met 80 bp weg terwijl de langere strengen gevangen blijven zoals het resultaat op elektroforese rechts laat zien.

 

Deze resultaten zijn van bijzondere betekenis, niet alleen voor het onderzoek over het mogelijke ontstaan van DNA zelf, maar ook voor het onderzoek naar de oorsprong van leven in het algemeen. Er wordt in de publicatie gerefereerd aan vulkanisch gesteente op de zeebodem waarin een temperatuurgradiënt zou bestaan. Daarin kunnen kleine barsten of poriën zitten waarin zich macromoleculen als DNA kunnen ophopen en waarbij met replicatie van en mutaties in dit DNA er in principe Darwiniaanse evolutie mogelijk is.

Dit laatste zal altijd speculatief blijven, maar langzaamaan hopen de experimenten op waaruit blijkt dat dergelijke scenario’s mogelijk geweest zijn. Nu is dit experiment uitgevoerd met dubbelstrengs DNA. Doorgaans gaat men er echter van uit dat de eerste macromoleculen uit enkelstrengs RNA bestonden. Het is daarom niet duidelijk hoe dit experiment in deze hypothese past.

Nu hebben Nick Lane en Bill Martin veel geschreven over de mogelijke oorsprong van leven in de poriën van de schoorsteenwanden in hydrothermale bronnen. Het is enigszins opmerkelijk dat deze studie helemaal niet refereert aan deze wetenschappers.

 

h/t Rob van der Vlugt

Uit: Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S. & Braun, D. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry 0, (2015). (Free access in ReadCube)

De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven

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.  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.

Het protonengradient

De formulering van de hypothese van het protonengradient gaat terug naar de jaren zestig. Dit gradiënt bestaat in alle cellen en is een universeel kenmerk van het leven net als het DNA en verwanten er de universele informatiedragers van zijn. Hoe komt het dat dit kenmerk zo universeel is? Nick Lane schrijft er een mooi artikel over en laat zien dat dit alles te maken heeft met de plek waar het leven mogelijk is ontstaan.

Protonenkanaal, geassocieerd met ATPsynthetase. Klik op het plaatje om deze animatie te zien.

Een proton is het ion van waterstof en wordt weergegeven als H+. Omdat het elektron ontbreekt is de lading positief en het ion is simpelweg de kern van het waterstofatoom. Een gradiënt van deze protonen betekent een verschil in concentratie van protonen aan weerszijden van een semipermeabel membraan (of een poreuze wand zoals we later zullen zien).

Verschillende concentraties aan weerszijde van een semipermeabel membraan ‘zoeken’ altijd naar een evenwicht. Maar ionen zoals H+ kunnen dit membraan vanwege hun lading niet passeren. Dit heeft te maken met ladingen en hydrofobe en hydrofiele eigenschappen van respectievelijk het membraan en het ion. In de levende membranen zoals we die in cellen kennen bestaan er evenwel kanalen van eiwitten die de ionen laten passeren. Deze turbine wekt energie op die opgeslagen wordt in een molecuul van ATP (het universele ‘energie’-molecuul waarin de fosfaatverbindingen energie vasthouden). Op deze manier wordt het evenwicht wel snel opgeheven, maar door het voortdurend pompen van speciale protonenpompen wordt het evenwicht nooit bereikt. De pompen herstellen voortdurend het gradiënt. Het leven is geen perpetuum mobile dus de werking van deze pompen gaat ten koste van de verbranding van suikers, waarbij het zuurstof als elektronen acceptoor dient en waarbij water en kooldioxide (CO2) gevormd worden.

Dit alles speelt zich af in de mitochondriën, de kleine energie-fabriekjes in ieder van onze cellen. Efraim Racker was reeds in de jaren veertig in staat aan te tonen dat de afbraak in anaerobe condities van suiker te koppelen is aan de productie van ATP. Het gaat hier om pure chemie omdat de fosfaatgroepen direct van het suiker naar het ADP overgebracht worden om ATP te vormen. Het bleek een stoichiometrisch proces te zijn, d.w.z. de afbraak van een suiker leverde 1 of 2 ATP’s op. Tot zover was alles duidelijk. Men heeft daarna op dezelfde manier gekeken naar de aerobe condities waarbij suikers verbrand worden. Het bleek dat er hier geen sprake was van stoichiometrie: het bleek dat een glucose verschillende hoeveelheden ATP produceerden; tussen de 28 en 38 ATP’s en nooit een geheel getal ! Aerobische respiratie is dus niet stoichiometrisch en dus niet chemisch. Op basis van deze gegevens formuleerde Peter Mitchell de ‘proton motive force’ (1961). Men ontdekte pas later de structuur van de eiwit moleculen als die van de turbines en pompen die zich in het membraan bevinden die verantwoordelijk zijn voor deze proton aandrijfkracht.

De protongradienten drijven niet alleen energieproductie in mitochondriën aan (dus van alle dieren- en platencellen) maar ook in bacteriën en archaea. De protongradienten en de bijbehorende kanalen en pompen zijn ook van essentieel belang voor de homeostase van iedere cel. De vraag die Mitchell niet kon beantwoorden is waarom protonen deze universele rol hebben. Het antwoord ligt volgens Michael Russell in de alkalische hydrothermale diepzeebronnen die langs de Mid-Atlantische Rug liggen.

Een half ATP winst bij de reductie van een molecuul CO2

Hier konden zich door de semipermeabele wand van de ‘schoorsteen’ protongradienten vormen. Toen de aarde nog zonder leven was, waren de zeeën licht zuur (pH laag en H+ hoog) vanwege de hoge concentratie van CO2 in de atmosfeer. Het pH ligt in de bronnen wel vier punten hoger en bevat veel minder H+. Ook hier bestond dus een protonengradient met dezelfde polariteit en met ongeveer dezelfde ‘helling’ als die in onze cellen (200mV). Het eerste leven heeft een manier moeten vinden om dit gradiënt te exploiteren. Wat leven doet is CO2 reduceren. Om CO2 te laten reageren moet er een drempel overwonnen worden. Dat kost energie. Die energie is mogelijk uit de natuurlijke protongradienten van de bronnen voortgekomen. Als CO2 helemaal gereduceerd is tot CH4 (methaan) dan komt daar een 0,5 ATP netto uit voort. En dat is de energie die doet leven.

Uit: Why are cells powered by proton gradients ? by Nick Lane

Alkalische hydrothermale bronnen en de RNA-wereld (Lane vs Koonin)

Alkalische hydrothermale bron

Dit blog volgt al enige tijd wat de wetenschappelijke opvattingen zijn over de oorsprong van leven. Gedurende de voorgaande eeuw kwamen er vele hypothesen naar voren. Vooral het idee van de primordiale soep zal bij velen bekend zijn; een lauwwarm vijvertje waar zich moleculen concentreerden. Uv-straling en elektrische ladingen zouden gezorgd hebben voor de energie die nodig is om grotere moleculen zoals aminozuren en proteinen te maken.
In de jaren zeventig ontdekte men de black smokers en daarmee ook de alkalische hydrothermale bronnen die zich beide op grote diepte op de oceaanbodem bevinden. Het lijken heel goede kandidaten te zijn als plek voor de oorsprong van het eerste leven. De laatste jaren concentreert men zich vooral op de alkalische hydrothermale bronnen. Deze hebben een rustiger karakter vergeleken met de black smokers en zijn veel minder heet. Ook het water sijpelt langzaam door de uit aragoniet bestaande wanden heen. Men heeft kunnen vaststellen dat zich in de wand microporiën bevinden die microscopische compartimenten vormen die een goed equivalent vormen voor een cel. In de wand van deze cellen vormt zich een protonengradiënt net zoals dat bestaat in levende cellen. Dit zou de eerste energiebron geweest kunnen zijn voor de reductie van kooldioxide.
Nick Lane beschouwt de mogelijkheid dat leven zich op deze wijze ontvouwt niet als uniek. Hij beweert dat elke planeet met rotsen en water de condities heeft om leven te herbergen.

Zowel Nick Lane als Eugene Koonin spreken van een RNA-wereld. Dit zou een wereld moeten zijn die vrijwel exclusief uit RNA bestaat. D.w.z. een wereld die nog geen levende cellen kent en bestaand uit langere of minder lange strengen van RNA en ribozymen. De katalyse van deze strengen RNA hangt af van de ribozymen die zelf ook uit RNA bestaan. Om de kans te berekenen dat leven kan ontstaan met als beginpunt een RNA-wereld neemt Koonin de grootte van ons universum in ogenschouw.

Ook hij spreekt van de alkalische hydrothermale bronnen als een zeer waarschijnlijke plaats voor de oorsprong van leven. Maar om te begrijpen of het ontstaan van leven daar meer of minder waarschijnlijk is kijkt hij niet zozeer naar de chemie zoals Lane dat doet, maar gaat hij uit van het universum dat voor ons zichtbaar is. Hij komt dan tot de conclusie dat de kans dat het fenomeen van een replicatie van RNA gekoppeld aan transcriptie zich voordoet in dat universum uiterst gering is. En wel kleiner dan 10^-1.018. Volgens deze berekening had leven nooit in ons universum kunnen ontstaan. De RNA-wereld zou zich zeer zeker voordoen in een MWO ofwel in een Many Worlds in One, waarin immers elk fenomeen dat gehoorzaamt aan de wetten der natuurkunde zich vroeg of laat voordoet. Een dergelijke wereld bestaat uit oneindig veel universa waarin er oneindig veel kopieën van de Aarde zijn.

Het lijkt er enigszins op dat het concept van dit multiversum nodig is om het ontstaan van leven te kunnen legitimeren. Als de berekeningen van Koonin kloppen wat betreft de kans dat RNA-polymeren zich vormen dan zou het ontstaan van leven in ons enkel universum een wonder genoemd moeten worden. Het is wat mij betreft waarschijnlijker dat er iets niet klopt in de berekeningen van Koonin. Zoals hij zelf onderstreept is het geen realistisch model en dient het uitsluitend om een brug te slaan tussen biologische en cosmologische modellen van de realiteit.

Zoals in het duidelijke blogbericht over Koonin van Gert Korthof beschreven wordt, kan de berekening en het resultaat daarvan betreffende de spontane vorming van RNA beschouwd worden als een treshold voor het ontstaan van leven.
Ikzelf blijf met het idee zitten dat de synthese van RNA de enige factor is die berekend kan worden en dat deze om die reden als treshold genomen is. Een ander punt is dat Nick Lane voorstander is van een ‘zwakke’ RNA-wereld waarin er ook andere moleculen zoals mineralen (bijv. ijzer-zwavel clusters) zijn die katalyseren. Als ook deze moleculen deel uitmaken van de katalyse van het RNA dan zouden berekeningen totaal onmogelijk zijn. De katalyse zou wel eens veel makkelijker gegaan kunnen zijn dan dat Koonin doet geloven. Ook het idee dat de grootte van het universum aangepast moet worden aan het resultaat van deze berekeningen is in zekere zin een antropogeen principe. Het moet vast en zeker allemaal met een korreltje zout genomen worden aangezien Koonin zelf schrijft dat het een ‘back-of-the-envelope’ berekening is.

Uit: Nick Lane

en E.V. Koonin: The Logic of Chance 2012

Een geothermale of hydrothermale oorsprong van leven

Er bestaat een verschil van mening tussen wetenschappers over waar zich de eerste cellen op Aarde hebben gevormd. De vraag is namelijk of ze zich eerst ontwikkelden in geothermale plassen of in zout water. Deze vraag heeft te maken met het feit dat de eerste cellen waarschijnlijk niet in staat waren hun osmose te regelen. In de huidige organismen zijn daar vrij complexe moleculen voor nodig die Natrium en Kalium in en uit de cel pompen en de eerste cellen moeten zo simpel zijn geweest dat ze nog geen beschikking hadden over deze complexe pompen.

De natrium/kalium pomp. De binnekant van de cel is negatief geladen vergeleken met de buitenkant van de cel.

Alle tegenwoordige een- of meercellige organismen beschikken over pompen die zich in het membraan van de cel bevinden. Deze pompen zijn opgebouwd uit verschillende subuniteiten van eiwitten. Ze pompen Kalium (K+) de cel in, en Natrium (Na+) de cel uit. Eiwitkanalen laten vervolgens sommige ionen passief het membraan door waarbij zich het membraanpotentiaal vormt: de binnenkant van de cel is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van het membraan. Het potentiaal bedraagt -60 tot -80 millivolt. Dit potentiaal staat aan de basis van transport door het membraan van andere ionen of moleculen, maar vormt ook de basis voor het actiepotentiaal in neuronen.

Het zoutgehalte (NaCl) van het milieu waarin cellen zich bevinden is gelijk aan dat van zeewater (9 promille). Ons bloed heeft dus een fysiologische waarde van 0.9 %. Maar de hoeveelheid Natrium in de cel ligt veel lager. Het omgekeerde geldt voor Kalium. Dit verschil wordt in stand gehouden door de ionenpompen.
Al de verschillende pompen (want er zijn er meer), dragen bij aan de osmose van de cel. Dat betekent dat de cel mooi rond blijft en niet ‘verschrompelt’ of uitzet en knapt.

geothermale bron

E.V. Koonin beschrijft onlangs in een artikel dat de membranen van de eerste cellen zeker nog geen ionenpompen bezaten en ze waren waarschijnlijk erg doorlatend. Om te kunnen vaststellen waar de eerste cel geboren werd keek hij naar de inhoud aan ionen in de hedendaagse cel. Om meer precies te zijn keek hij naar de eiwitten die bacteriën produceren en welke organische ionen nodig zijn voor hun functioneren. Het blijkt dat de benodigde ionen overeenkomen met welke te vinden zijn in de stagnerende plassen bij geothermische bronnen. Het gaat dan onder andere om kalium, fosfaat, zink en mangaan en een kleine hoeveelheid natrium, wat volgens hem betekent dat de cellen daar ontstaan zijn.

hydrothermale bron

Nu bestaat er al sinds zo’n 20 jaar het idee dat de eerste cellen ontstonden in of bij Hydrothermal vents, black smokers of hydrothermale bronnen. Deze onderwaterbronnen bevinden zich op grote diepte in de oceaan. Er is geen daglicht en de bacteriën die men daar tegenkomt ademen H2S in plaats van O2. Nu heeft men de interessante hypothese ontwikkeld dat de poriën in de schoorstenen van deze bronnen heel goed mini-compartementjes konden vormen voor de opeenhoping van de eerste moleculen die belangrijk zijn voor het leven (zie ook een voorgaande blog) zoals nucleotiden, waaronder ATP en vervolgens de polymeren daarvan als RNA en DNA. De wanden van deze schoorstenen bevatten ook een gradiënt aan protonen waardoor er energie beschikbaar is voor de vorming van macromoleculen. Kortom, deze compartementjes zouden fungeren als cellen. Pas daarna vormde zich het lipiden-membraan zoals alle levende cellen dat bezitten en konden de eerste cellen zich losmaken van de schoorsteen. Deze hypothese is erg belangrijk en wordt door velen omarmd. Het is mogelijk dat de eerste cellen functioneerden met het zoutgehalte van het zeewater. De ionenpompen fungeren nu als generatoren van het membraanpotentiaal, maar hun primaire functie was wellicht die van osmose. Voor de harde wand van de compartimenten is er geen regulering van de osmose nodig en konden deze ‘vaste’ cellen heel goed leven zonder osmose en ionenpompen.

Het zal vast een nieuwe discussie in gang zetten. Deze is eigenlijk al gestart tussen Koonin, voorstander van de geothermale oorsprong, en Nick Lane, voorstander van een begin in hydrothermale bronnen. Nick Lane beweert dat het verschil in concentraties in en rond de cel nu juist kenmerkend zijn van dynamisme, van leven. Een cel die in evenwicht is met zijn omgeving leeft volgens hem niet.

Uit ScienceNews.org, NatureNews. PNAS (Koonin)

 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

De vonk voor leven

In Japan heeft men onlangs een gedeelte van een onderzeese vulkanische schoorsteen naar het laboratorium gebracht om deze eens van dichtbij te bestuderen. Ryuhei Nakamura ontdekte dat de wand van een dergelijke schoorsteen elektriciteit geleidt. Aan de binnenkant van de schoorsteen liet hij het water stromen dat in zee door deze schoorstenen wordt uitgestoten en dat verschillende chemicaliën bevat. Aan de buitenkant van de wand liet hij normaal zeewater stromen. Hij constateerde dat er elektrische spanning opgewekt werd.

 

van internet: black smoker

Deze onderzeese schoorstenen of ‘black smokers’ staan momenteel in het middelpunt van de belangstelling, omdat men veronderstelt dat er het eerste leven ontstaan zou kunnen zijn. Tot voor kort heerste de veronderstelling dat het leven in een warm meertje ontstond, dat door opdroging en concentratie van de opgeloste moleculen onder invloed van blikseminslagen en Uv-licht de eerste macromoleculen vormde. Over de black smokers schreef ik twee voorgaande berichten (zie onderaan).

 

Volgens de auteur zijn de implicaties van deze studie dat de elektrische stroom, die in de schoorstenen wordt opgewekt, de basis zou kunnen zijn voor de vorming van de eerste ingewikkelde organische moleculen. De kritiek daarop is dat er nog geen zuurstof aanwezig was (het leven en dus ook fotosynthese moesten immers nog aanvangen); er is dus nog geen ontvanger van elektronen. Nakamura antwoordt dat kooldioxide (CO2) dezelfde rol als zuurstof (O2) zou kunnen spelen en dat de eerste ingewikkelde moleculen zouden kunnen ontstaan door de reductie van CO2. Dit zou betekenen dat hij veronderstelt dat CO2 als ontvanger van elektronen zou kunnen fungeren. Er bestaat inderdaad de zogenaamde omgekeerde cyclus van Krebs. In plaats van de verbranding van suikers, zoals in de cyclus van Krebs, worden er suikers gebouwd vanaf kooldioxide en water. Deze cyclus wordt door sommige bacteriën gebruikt om suikers te bouwen, waarbij stoffen als waterstof, sulfide, thiosulfaat als elektronendonors gebruikt worden. In dit geval zou de elektronendonor de stroom zijn die door de wand van de schoorsteen loopt. Als dat waar is dan zou dit een manier zijn waarop de eerste complexe koolstofmoleculen ontstaan zouden kunnen zijn.

Hij gaat nu controleren of op de bodem van de zee inderdaad elektrische stroom geproduceerd wordt door deze schoorstenen.

 

Lees ook: Het eerste leven ontstond in hydrothermale bronnen

Chemiosmose, de basis voor leven

 

Uit: NewScientist, Faqt.nl

 

 

Het eerste leven ontstond in hydrothermale bronnen

Het ziet er naar uit dat de al 80-jaar oude theorie van het ontstaan van leven uit de prebiotische oersoep op de schop gaat. Een nieuwe studie lanceert de hypothese dat het eerste leven waarschijnlijk ontstaan is in de onderzeese hydrothermale bronnen. Hier bevinden zich reeds geochemische gradienten, die het transport van protonen bewerkstelligen, de eerste bron van energie voor leven. Alle huidige organismen halen hun energie uit intracellulaire chemiosmose.

De oude theorie van de oersoep baseert zich o.a. op het beroemde experiment van Miller-Urey, dat ervan uitging dat deze oersoep, met methaan en ammonia, in contact stond met de atmosfeer en waarin de bron van energie gevormd werd door electrische ontladingen, die de bliksem nabootsten. De glazen bol waarin dit experiment zich voltrok, bracht (uiteindelijk) bijna al de ons bekende aminozuren voort. Aminozuren vormen de bestanddelen van eiwitten, de bouwstenen van iedere cel en organisme.

De nieuwe studie lanceert een geheel andere hypothese, die al enigszins in de lucht hing

Van internet: Hydrothermale diepzeebronnen

(zie ook onderstaand filmpje). Ze stellen allereerst voor dat het leven uit gassen ontstond (H₂, CO₂, N₂, H₂S) en dat de energie voor het eerste leven verzameld werd uit geochemische gradienten die zich bevinden in kleine onderling verbonden poriën van speciale hydrothermale bronnen. Een dergelijk soort honingraat van microscopische gaatjes kan gezien worden als een geheel aan katalytische kleine cellen, waar zich vervolgens lipiden, proteinen en nucleotiden gevormd kunnen hebben.

Deze nieuwe ideeën baseren zich op die van Michael J. Russell over alkaline diepzeebronnen die chemische gradienten produceren. Deze komen sterk overeen met de protonengradienten in de membranen van levende organismen. De eerste organismen maakten waarschijnlijk gebruik van deze protonengradienten om het universele energiemolecuul ATP (of een eenvoudiger alternatief) aan te maken. Mettertijd evolueerden de organismen naar een eigen intern protonengradient. De onderzoekers stellen dat de eerste electronendonor H₂ en de eerste acceptor CO₂ was. (Er bestond nog geen O₂ in de atmosfeer en het water.) Ze veronderstellen dus dat het eerste leven aanvankelijk energie haalde uit de geochemische gradienten, waarna ze deze inbouwden en eigenmaakten om onafhankelijk te worden van de diepzeebronnen.

Een dergelijke hypothese, ook al is die minder biochemisch van aard, werd gesuggereerd in dit filmpje (met dank aan ing. St Hawk) over een lezing van David Gallo met prachtige bewegende beelden van hydrothermale bronnen en de omringende fauna. Hier leven bacteriën die resistent zijn tegen hoge temperaturen (180°C) en H₂S ‘ademen’. De wetenschappers uit het filmpje beweren dat deze levensvormen wel eens de oudste organismen op Aarde kunnen zijn.


Bron: ScienceDaily
Update 13-02-2010: artikel in NewScientist