Een trade-off is gebaseerd op de beschikbaarheid van een bepaalde hoeveelheid energie. Wordt er veel energie gestoken in een parameter van het bestudeerde systeem dan kan er vanzelf niet al teveel overblijven voor een andere parameter. De term wordt veel gebruikt in economie. In een evolutionaire trade-off is er een balans tussen twee tegenstrijdige selectie-drukken. Een voorbeeld van evolutionaire trade-off is de eendagsvlieg, die in zijn volwassen reproductieve vorm geen functionerende darm heeft en maar één dag leeft. Dit komt doordat de energiebron voor onnodige voedingsapparatuur naar organen voor vliegen en voortplanting gegaan zijn. (Een voorbeeld van Richard Dawkins).
In deze blogpost wordt de mogelijke trade-off van virussen met hun host belicht. Een virus is niet meer dan een relatief korte RNA- of DNA-molecuul verpakt in een omhulsel. Laten we daarom eerst eens bekijken wat deze moleculen zijn en waartoe ze in staat zijn.
De primordiale wereld en de rol van RNA
Sommige wetenschappers veronderstellen dat pre-biologische moleculen chemische reactie-cyclussen ondergingen die zich onafhankelijk konden voltrekken. Er zouden verschillende chemische cyclussen plaatsgevonden kunnen hebben op de vroege Aarde zo rond 3,8 miljard jaar geleden. Als ze dezelfde bouwstenen gebruikt zouden hebben om hun cyclussen te voltrekken, dan moeten ze met elkaar gewedijverd hebben. De meest efficiënte cyclus zou de minder efficiënte cyclussen overvleugeld hebben. Ook bij de eerste zelf-replicerende moleculen was er dus sprake van selectie. Deze chemische evolutie ging vooraf aan de biologische evolutie.
Er is lang gedacht over welke moleculen de eerste en belangrijkste waren in deze primordiale cyclussen. Waren het DNA, RNA of proteïnen? In levende cellen is het het DNA dat de code voor proteïnen draagt die via het mRNA wordt afgelezen. In de jaren ’80 ontdekte Thomas Cech daarentegen dat RNA een soort moleculair hybride is en inderdaad ook code draagt voor proteïnen maar ook enzymatische activiteit heeft en andere moleculen kan veranderen. Maar wat vooral van belang was voor de theorie van de primordiale wereld, was dat RNA ook een loop kon maken en zijn eigen code kon bewerken zonder hulp van enzymen. De bioloog Gerald Joyce nam het RNA van Cech en liet het los op DNA. Hij kreeg natuurlijk vrijwel geen reactie, maar hij liet het evolueren (nam steeds de fractie RNA moleculen die het efficiëntste waren in het splitsen van DNA) en kreeg uiteindelijk, na twee jaar, RNA moleculen die net zo goed DNA konden splitsen als hun eigen RNA. Het bleek later dat RNA veel reacties kan voltooien en aminozuren kan binden en wordt daarom als de hoofdrolspeler gezien van de primordiale wereld ofwel de “RNA-wereld”. Het RNA kon zowel de rol van DNA als de rol van eiwitten vervullen. Met de daadwerkelijk opkomst van door RNA gecodeerde enzymen kon hetzelfde RNA nog vlugger gekopieerd worden en daarmee zijn efficiëntie verhogen. Ook het dubbelstrengs DNA zou door toevoeging en kleine veranderingen uit het enkelstrengs RNA ontstaan kunnen zijn. Het DNA is veel stabieler en heeft de functie van informatieopslag van onder andere onze genen.
Een virus is een streng RNA of een DNA-molecuul dat door een membraan of envelop omhuld is. Om zich te kunnen reproduceren is een virus totaal afhankelijk van zijn gastheer. Dat kan een bacterie, eencellige of meercellige eukaryoot zijn. Reproductie is een van de kenmerken van ‘leven’. Er zijn nog vele andere kenmerken, die ik hier niet wil noemen, om het eenvoudig te houden. Virussen worden beschouwd als niet-cellulair leven. Ze bezitten immers genen, maar voor hun metabolisme zijn ze geheel afhankelijk van een gastheer. Nadat ze gebruik gemaakt hebben van de replicatie machine van de gastheercel, assembleren ze vanzelf. Deze eigenschap versterkt het vermoeden dat ze als zelf-assemblerende organische moleculen aan de wieg hebben gestaan van het eerste leven.
Trade-off in virussen
Er bestaat de hypothese van een trade-off voor virussen. Daarbij gaat een toename in virulentie ten koste van besmettingskans en andersom. Er ontstaat een balans, een trade-off van twee tegenstrijdige selectiedrukken: één die de pathogeen aanzet om meer te groeien en zodoende de gastheer meer uit te buiten, en één die ervoor zorgt dat de gastheer lang genoeg kan overleven om soortgenoten te besmetten. Wanneer als gevolg van een genetische mutatie een virus virulenter wordt en zijn gastheer zo ziek maakt dat hij overlijdt, dan verdwijnt het virus met de dood van zijn gastheer. Is het virus afhankelijk van een levende gastheer die rondloopt om zoveel mogelijk mensen te besmetten, dan moet het virus niet dodelijk zijn. Het griepvirus maakt de gastheer licht ziek omdat zijn levenscyclus afhangt van het niezen van zijn gastheer op een volgende gastheer. Voor een aantal virus-gastheer systemen is de hypothese aangetoond (waaronder HIV bij mensen en myxomatose in konijnen ). Deze systemen vinden een positieve correlatie tussen virulentie en besmetting.
Fig. 1 Trade-off van een virus Elke toename van virulentie (groen) zou moeten worden gecompenseerd door een afname in besmettelijkheid (rood) en andersom. Gaat een van deze twee paramaters buiten de range (stippellijn) van optimale fitness (blauw) dan heeft het virus een lage fitness (ook in blauw), wat kan betekenen dat het virus verdwijnt.
Het is daarentegen ook mogelijk dat het virus vooral wedijvert met andere ziekteverwekkers in de gastheer. In dat geval wordt het lastig om de trade-off hypothese te bestuderen.
Op Twitter kwam ik deze grafiek tegen gepost door @AdamJKucharski, mathematicus en epidemiologist
Adam Kucharski illustreert hier dat wanneer een parameter zoals besmettelijkheid 50% toeneemt dan neemt het aantal doden exponentieel toe. Wanneer uitsluitend de virulentie met 50% toeneemt dan gaat het aantal doden recht evenredig omhoog. Als de besmettelijkheid hoog is, en als de trade-off van toepassing is op dit virus, dan zou de virulentie moeten dalen. Het zou kunnen dat wanneer de besmettelijkheid toeneemt en de virulentie inderdaad vermindert het virus minder doden veroorzaakt. Om te weten of er in het geval van Covid19 een trade-off systeem is tussen SARS-Cov-2 en de mens, moet er bijgehouden worden hoeveel mensen er sterven ten opzichte van het aantal positieven. Gegevens zoals het aantal mensen dat sterft, dat wordt opgenomen in het ziekenhuis of dat in de loop van de tijd positief test op het virus, worden gebruikt om in te schatten hoe gemakkelijk het virus zich verspreidt. Deze gegevens bepalen de R-waarde. Als de R-waarde hoger is dan één, neemt het aantal gevallen exponentieel toe, maar als het R-nummer lager is, zal de ziekte zich uiteindelijk niet meer verspreiden, omdat er niet genoeg nieuwe mensen worden geïnfecteerd om de uitbraak in stand te houden.
Gezien vanuit het virus is de trade-off een prima deal, het reproduceert zich net zo goed en behoudt dus zijn fitness zowel met hoge besmettingskans en lage virulentie als met het omgekeerde. Natuurlijke selectie bepaalt hoe deze waarden liggen. De interactie virus-gastheer is afhankelijk van vele factoren die mij onbekend zijn, maar die zeker te maken hebben met waarden aan de kant van de gastheer zoals bevolkingsdichtheid, immuniteit van de mensen, seizoen, bewegingsvrijheid van de mensen en waarden aan de kant van het virus zoals de besmettelijkheid en virulentie.
Het is te hopen dat er voor SARS-Cov-2 en de mens ook een trade-off bestaat en dat we deze kunnen doorbreken door de besmettelijkheid zodanig te verlagen dat deze een extreem lage fitness oplevert. Dat gebeurt wanneer we immuun oftewel gevaccineerd zullen zijn.
Foto door Chantal Abergel en Jean-Michel Claverie Drie recent ontdekte reuzevirussen — mimivirus (boven), pandoravirus (midden) and pithovirus (onder)
De theorieën over de oorsprong van het leven lopen uiteen, maar over één ding is men het eens. Er bestond ooit een RNA-wereld waarin er zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA. De laatste katalyseerde de replicatie van de eerste en zo ontstonden er de eerste replicatoren. Nu bevatten onze cellen DNA (deoxyribonucleic acid) als opslag voor informatie, terwijl veel verschillende soorten RNA (ribonucleic acid) bijvoorbeeld als boodschapper (RNAm) of drager van aminozuren (RNAt) dient. Er is blijkbaar een moment geweest waarop het RNA omgezet is in DNA. Nu geldt het dogma in de biologie dat DNA omgeschreven wordt in RNA dat op haar beurt weer afgelezen wordt voor de vorming van eiwitten. Er bestaat slechts één uitzondering, en dat is het enzym reverse transcriptase dat alleen door retrovirussen gecodeerd wordt. (Er is een andere reverse transcriptase die telomeren synthetiseert, zie de reactie van Gert Korthof).
Al een tijdje bestudeert de viroloog Patrick Forterre de mogelijkheid dat retrovirussen aan de oorsprong van de eerste cellen heeft bijgedragen. Ik schreef al eerder over zijn werk en theorie en de details kun je in dit eerdere blog lezen. Hij stelt dat de retrovirussen DNA maakten en daarmee cellen infecteerden die vervolgens dit stabielere DNA gebruikten als informatieopslag.
Nu is er recent een enorm virus ontdekt, het pithovirus, dat nog groter is dan veel bacteriën. De afmeting is meer dan 1,5 micron en het draagt zo’n 500 genen waarvan vele niet gerelateerd zijn aan de ons reeds bekende genen. Voordat dit virus werd gevonden, wist men al van andere grote virussen zoals het mimivirus en pandoravirus die ook veel niet gerelateerde genen bevatten. Zo langzaamaan begon zich een andere theorie te vormen.
Men dacht vroeger dat virussen zich later hebben ontwikkeld dan cellen, omdat alle toen bekende virussen voor hun replicatie of vermenigvuldiging afhankelijk waren van cellen. Het zou dus wel eens omgekeerd kunnen zijn, namelijk, dat virussen eerder ontstonden dan cellen. Ze zouden in eerste instantie in de RNA-wereld geleefd hebben die bestond uit zelfzuchtige RNA’s die de boventoon gingen voeren. Deze werden omsloten door capsiden, bestaande uit proteïnen.
Een argument voor de The Virus World Theory stelt dat virussen genetisch gezien een grotere diversiteit hebben dan cellen. Waren ze afgeleid van cellen, dan zou er een kleinere diversiteit zijn dan die we aantreffen bij cellen. Eugene Koonin is voorstander van The Virus World Theory, terwijl Patrick Forterre denkt dat virussen hun opmars maakten nadat er voorlopers van bacteriën, Archaea en Eukaryoten, die hij protoeucaryoten noemt, hun intrede deden. Hij onderstreept daarbij dat virussen op het toneel verschenen voordat LUCA (Last Universal Common Ancestor) bestond. Abergel en Claverie, een echtpaar van virologen, beweren daarentegen dat virussen afstammen van uitgestorven cellijnen. Er was geen unieke cellijn volgens hen, maar een waren een heleboel verschillende cellijnen die allemaal uitgestorven zijn. De virussen bevatten nog steeds de antieke genen van deze uitgestorven cellen.
Kortom, er is in Frankrijk een flinke discussie gaande rond dit onderwerp. Daar wordt heel wat ge-e-maild over virussen. Het zou leuk zijn als deze discussie wat meer open was, zodat wij hem konden volgen. Misschien hebben ze allemaal gelijk en verschenen virussen tegelijk met cellen, met het daarop volgende uitsterven van bepaalde cellen waar antieke infecterende virussen nog steeds een overblijfsel van zijn. Het zou zomaar kunnen.
Ongeveer twee maanden geleden is er aan de Vrije Universiteit van Amsterdam een proefschrift verdedigd over seksuele reproductie en natuurlijke selectie. Natuurlijke selectie zoals gedefinieerd door Dawkins, Monod en Williams zou nooit tot de evolutie van seksuele reproductie geleid kunnen hebben.
Er is daarna veel kritiek op het proefschrift geweest door verschillend evolutiebiologen. De discussie waar ik hier naar verwijs is gaande op het blog van Gert Korthof. De inmiddels gepromoveerde Joris van Rossum stelt dat de verschillende biologen en met name Richard Dawkins uitgaan van het idee dat natuurlijke selectie op het gen inwerkt. Maar Dawkins stelt juist dat niet het gen maar het fenotype door natuurlijke selectie geselecteerd wordt; het gen is daarentegen de eenheid van selectie. Dawkins geeft in zijn boek ‘The Selfish Gene’ het voorbeeld van roeiers en een boot. De roeiers zijn de genen, ofwel de uniteiten van selectie en de boten zijn het fenotype (de eiwitten, de cellen, de organismen). De beste roeiers winnen de race, maar doen dat niet afzonderlijk. Het is de boot die wint en de roeiers krijgen allemaal een medaille (= worden doorgegeven aan de volgende generatie). Dit voorbeeld wordt door Dawkins nog verder uitgebreid maar heeft voor de discussie verder geen zin. Aangezien het proefschrift uitgaat van een fout gegeven is haar stelling ongefundeerd.
Naar aanleiding van de commentaren en discussies onder dit blogbericht van Gert Korthof is het wellicht interessant om er wat dieper op in te gaan. Er wordt daar bijvoorbeeld beweerd dat bepaalde veel voorkomende sequenties in ons genoom (ALU) geselecteerd zijn (selectie van een sequentie, is dat wel mogelijk ?) omdat ze veel voorkomen. Dit is een cirkelredenering: omdat een bepaalde eigenschap veel voorkomt is hij blijkbaar succesvol en dus geselecteerd. Op zich kan dit wel gezegd worden van alle fenotypen die we in de natuur vinden, maar dan gaat het inderdaad om fenotypen, terwijl veelvuldig voorkomende sequenties in het DNA bij het genotype horen. Eerst moet het bijbehorende fenotype van de succesvolle sequenties gevonden worden om te kunnen stellen dat ze geselecteerd zijn. Op dit punt wordt het belangrijk onderscheid te maken tussen wat er eerst komt: genotype, fenotype of selectie.
Zowel Richard Dawkins als Stephen Jay Gould zijn het er over eens dat het genotype het fenotype voortbrengt en dat dit laatste geselecteerd wordt, waarbij, zoals eerder gezegd, het gen de uniteit van selectie is en het fenotype aan selectie onderhevig is. Een verschil tussen beiden is, zoals Dawkins zelf zegt, dat hijzelf genen als de veroorzakers van evolutie ziet, terwijl Gould het genoom als passief register ziet van wat beter werkte en wat niet. Het lijkt er op dat Gould het genoom ziet als een opslagplaats voor hetgeen na natuurlijke selectie via het fenotype overblijft. Dawkins ziet het genoom of genotype daarentegen als de oorsprong van een fenotype waarop vervolgens selectie ingrijpt. Je kunt stellen dat beiden gelijk hebben en dat er een cirkel bestaat die steeds bij het genoom uitkomt. Dawkins vertrekt van het punt 0 ofwel het genotype (eerste generatie) dat vervolgens tot expressie komt en een fenotype voortbrengt dat eventueel (weg)geselecteerd wordt. Dit nieuwe fenotype is de drager van dit nieuwe genotype (0 +1; tweede generatie) enzovoorts. Het genoom is op deze wijze het passieve register van natuurlijke selectie. Zo wordt het mogelijk evolutie als een wenteltrap te beschouwen. Elke slag komt via het (veranderde) fenotype weer terug bij het (veranderde) genotype (0 + n). De wenteltrap heeft slechts een richting, laten we zeggen omhoog. Deze loopt gelijk aan het verstrijken van de tijd. Evolutie loopt dus van genotype naar fenotype en naar selectie van dit fenotype om en via een volgende slag van de wenteltrap weer naar het genotype.
Een andere discussie is die waar de oorsprong van evolutie gezocht moet worden. Wat is het nulpunt van Dawkins. Dit ligt waarschijnlijk in de zogenaamde RNA-wereld waar natuurlijke selectie plaatsvindt en ingrijpt op het fenotype van de RNA-moleculen. Zoals Schuster* beweert heeft het RNA zowel een genotype als een fenotype waarbij het genotype de sequentie is en het fenotype de structuur. Over wat er precies onder de structuur verstaan moet worden kan natuurlijk gediscussieerd worden.
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.
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.
We zijn gewend te denken aan een boom van leven waarin er bij de stam ‘lage’ organismen voorkomen en bovenaan ‘hogere’ organismen. Zo maken velen nog de fout te beweren dat wij van de aap afstammen, terwijl wij afstammen van een gemeenschappelijke voorouder met de aap. De aap is dus net zo ‘ver’ geëvolueerd als wij mensen. Dit geldt ook voor onze afstamming van de eerste ééncellige. Vaak wordt er gedacht dat alle levende organismen afstammen van een bacterie zoals we die nu kennen. Nu is er een groep Franse wetenschappers die al sinds enige jaren hypothesen formuleert over de wortel van de boom van het leven. Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA; last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.
De hoofddomeinen van het leven bestaan uit prokaryoten (bacteriën en Archaea) en eukaryoten. De prokaryoten (= ‘vóór’ de celkern) hebben (nog) geen nucleus terwijl de eukaryoten (=’echte’ celkern) deze wel bezitten. Eukaryoten vormen alle ééncellige en meercellige organismen waarvan de cel een nucleus bevat, dat wil zeggen alle organismen die geen bacteriën of Archaea zijn. De term prokaryoten is volgens de auteurs gedateerd omdat de term prokaryoten suggereert dat deze laatste organismen vóór de eukaryoten leefden.
De drie virussen, drie domeinen theorie. Gestippelde
lijnen geven RNA cellijnen aan en vette lijnen geven
DNA cellijnen aan. FvA, FvB en FvE zijn de grondlegger
virussen voor Archaea, Bacteriën en Eukarya resp.
Uit artikel van Patrick Forterre (zie onderaan).
De hypothetische LUCA is volgens de auteurs een cel met een nucleus die in plaats van DNA zoals in alle tegenwoordige eukaryoten een kern met RNA bevatte. Deze hypothese is gebaseerd op de theorie van de RNA-wereld. Van deze protoeukaryoten stammen de eukaryoten en de prokaryoten af. De prokaryoten zouden de eigenschap van de celkern verloren hebben terwijl de eucaryoten deze behouden hebben. Het eerste leven wordt voorgesteld als een gemengde gemeenschap van allerlei verschillende protoeucaryoten die met minichromosen van RNA een nog onduidelijke verhouding hadden tussen fenotype en genotype.
Het RNA zou in deze eerste organismen omgezet zijn in DNA door virussen. Virussen, die in de RNA-wereld ook uit RNA bestonden en deze ‘jonge’ cellen infecteerden, vormden DNA omdat dit beter bestand was tegen de verdedigingsmechanismen van de cel. Deze hypothese wordt versterkt doordat vele virussen ook vandaag nog genen voor enzymen bevatten die van belang zijn voor de synthese van precursoren van het DNA. Een dergelijk DNA-virus zou zijn litische vermogen kunnen verliezen en permanent in de cel aanwezig kunnen blijven als lineair of circulair chromosomaal element (plasmiden). Via retrotranscriptie zou het cellulaire RNA deel hebben kunnen gaan uitmaken van het groeiende plasmide. Dit DNA zou stabieler zijn en het zou voor de cel een selectief voordeel betekenen al zijn RNA om te zetten in DNA.
Omdat Eukaryoten, Archaea en bacteriën alle drie verschillende ribosomen hebben wordt er voorgesteld dat ze afstammen van protoeucaryoten die ooit door drie verschillende virussen geïnfecteerd werden. Het gaat hier duidelijk om theorieën die goed kunnen verklaren hoe er drie zulke verschillende domeinen van de boom van het leven konden ontstaan uit één gemeenschappelijke voorouder. Tot nu toe was men daar nog niet in geslaagd.
Uit:
Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: A hypothesis for the origin of cellular domain
The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution and genetic legacy of an elusive forerunner Nicolas Glansdorff,Ying XuandBernard Labedan http://www.biology-direct.com/content/3/1/29#B11
Vanmorgen was er een lezing van Ada Yonath aan de Universiteit van Padua. Zij ontving in 2009 de Nobelprijs voor Scheikunde voor haar onderzoek op het ribosoom. Haar groep bestudeerde met kristallografie de structuur van het ribosoom en ontdekte veel nieuws over de symmetrie ervan en over de gevoeligheid voor antibiotica.
Van internet: in de celkern vindt transcriptie plaats
met vorming van mRNA. Dit migreert naar het
cytoplasma waar het mRNA vertaald wordt door de
ribosomen (lichtblauwe bollen langs het mRNA).
De tRNA met hun anti-codon en aminozuur plaatsen
zich in het ribosoom waar het aminozuur verbonden
wordt met de groeiende peptide.
Het DNA bevat de genetische informatie die tijdens de transcriptie omgezet wordt in RNA (mRNA ofwel messenger RNA). Het RNA wordt door de ribosomen vertaald in eiwitten. De eiwitten vouwen zich en worden dan functioneel; ze voeren alle chemische reacties uit die de cel nodig heeft (enzymen) of vormen structurele elementen, hormonen of receptoren.
Het ribosoom zelf bestaat ook uit RNA en een aantal eiwitten.
RNA is het belangrijkste onderdeel van het ribosoom. De eiwitten die er ook deel van uitmaken hebben vaak een stabiliserende functie. Sommige eiwitten zijn sterk geconserveerd wat aangeeft dat hun functie erg belangrijk is voor de activiteit van het ribosoom. Maar het ribosomale RNA heeft op zichzelf een catalyserende functie en kan zonder hulp van deze eiwitten functioneren. Dit wordt het ribozyme genoemd. Eiwitten kunnen alleen door RNA gemaakt worden; niet door andere eiwitten.
De studies van Yonath en haar medewerkers laten precies zien wat de fijne structuur van het ribosoom is. Ze konden aantonen dat het ribosoom een symmetrische kern heeft. Deze kern van RNA is sterk geconserveerd en komt voor 98% overeen in alle levensvormen. Dit betekent dat deze kern een bijzonder essentiële functie heeft. Ze veronderstellen dat deze actieve site van het ribosoom door genfusie van twee gescheiden maar vergelijkbare domeinen tot stand is gekomen, waarbij elk voor de helft van de catalytische activiteit zorgde. Deze sterke conservatie geldt niet de sequentie van het RNA in deze vitale symmetrische kern, maar de driedimensionale structuur. Dit wijst erop hoe belangrijk de positie van de substraten is in de stereochemie bij de vorming van peptidebindingen.
Ook Yonath veronderstelt dat er ooit een RNA-wereld bestond waarin het ribozyme het eerste ‘enzyme’ was. Zij stelt wel de vraag waarom het RNA ooit begonnen is met het produceren van eiwitten.
De eiwitten die zich later bij het ribozyme voegden verhoogden er de efficiëntie en de nauwkeurigheid van. Huidige ribosomen maken 1 fout op een miljoen.
Hun studie heeft ook veel aan het licht gebracht over rotatie en antibiotica.
De rotatie van het tRNA (het transfer RNA dat aminozuren aanvoert die één voor één gekoppeld worden aan de peptide) binnen het ribosoom is belangrijk voor de stereochemische vorming van de peptidebinding.
Antibiotica binden aan de ribosomen van bacteriën. De ribosomen van hogere organismen hebben een andere structuur en zijn ongevoelig voor antibiotica. Door de binding van het ribosoom met antibiotica wordt de vertaling van het mRNA ofwel de eiwit-synthese stopgezet en de bacteriën sterven. Ze konden waarnemen waar de verschillende antibiotica zich precies vasthechtten en hoe ze de synthese verstoorden.
Ada Yonath liet ons ook het volgende filmpje zien dat gelukkig op youtube terug te vinden was. Er is een lang molecuul van mRNA te zien dat door de twee subuniteiten van het ribosoom vertaald wordt. Er wordt ingezoomd op de tRNA die met hun aminozuren het ribosoom binnenkomen, hun aminozuur afleveren en zonder aminozuur uitgestoten worden.
Meer informatie en prachtige afbeeldingen zijn te vinden op de website van Ada Yonath.
Aan de Universiteit van Padova werd onlangs een lezing gehouden door Prof. Ernesto Di Mauro van de Universiteit ‘La Sapienza’ van Rome over het spontaan ontstaan van het genetisch materiaal. Hier volgt een korte samenvatting.
De lezing behandelde niet de oorsprong van het leven maar de spontane vorming van nucleosiden, de chemische componenten van het DNA, of beter het RNA, gezien Di Mauro zelf meer voorstander is van de RNA-wereld hypothese. Deze hypothese gaat ervan uit dat de eerste macromoleculen die essentieel voor het ontstaan van het leven waren, uit RNA bestaan moeten hebben. RNA is het enzyme van zijn eigen molecuul want het kan namelijk zelf de bouw van dezelfde of nieuwe RNA-moleculen bewerkstelligen.
Om helemaal bij het begin te starten nam hij het publiek mee naar de samenstelling van sterrenstof (of beter interstellair stof, zie onderstaande reacties). Dit bestaat, behalve uit de zes essentiele elementen voor het leven H, C, O, P, S en N, ook uit grotere moleculen waaronder waterstofcyanide (HCN) en water (H2O).
Het sterrenstof/interstellaire stof komt op de Aarde terecht, waarbij de laatste twee moleculen reageren om formamide (HCNOH2) te vormen. Deze stof induceert de eigen replicatie en vormt
steeds meer kopieën van zichzelf. Tussen 4°C en 210°C is formamide vloeibaar. Door de hoge temperaturen vormt het ‘neerdalende’ sterrenstof samen met formamide de eerste nucleosiden ofwel de vier ‘letters’ (U, A, G, C) van het RNA. Zie ook de figuren waarop formamide en een nucleoside afgebeeld zijn. In het bijzijn van koper worden de nucleosiden gefosforileerd tot nucleotiden. Zo vormt zich bijboorbeeld cGMP, cyclisch Guanine Monofosfaat. Dit cGMP polymeriseert makkelijk tot een lange keten omdat deze stabieler is dan de enkele nucleotide zelf. polyG en polyC vormen dan spontaan dimeren. Ook omdat deze stabieler zijn dan de enkelstrengse polymeren. Het blijkt dat de sequenties GCC-GGC-GCC-GGC de meest frequente én meest stabiele zijn. De bijbehorende sequentie aminozuren gly-ala-gly-ala is daarom ook de meest frequente. Zo kan men concluderen dat complexe moleculen kunnen ontstaan omdat hun stabiliteit groter is.
De lezing werd middels vragen besloten met beschouwingen over wat leven is. Di Mauro merkte op dat de hierboven genoemde moleculen niet onderhevig zijn aan natuurlijke selectie, want natuurlijke selectie veronderstelt dat er reeds ‘iets’ aanwezig moet zijn om te selecteren. Toch is het mijns inziens mogelijk de snelheid waarmee bepaalde moleculen zich vormen ten opzichte van andere en de stabiliteit die ze bezitten bij bepaalde pH-waarden of temperaturen als een systeem te beschouwen dat wél onderhevig is aan natuurlijke selectie. De snelst groeiende polymeriserende en meest stabiele moleculen overheersen over de andere en de omgeving (pH en temperatuur) bepaalt of zij in het medium langer of korter zullen ‘overleven’. Di Mauro heeft uiteindelijk niet verteld waar we de grens moeten leggen voor leven. Replicatie kwam hier immers niet aan de orde.
De evolutietheorie beschrijft en verklaart de evolutie van de levende organismen door natuurlijke selectie, maar geeft geen verklaring voor het ontstaan van dit leven op Aarde. Er zijn vele experimenten die aangetoond hebben dat uit een oersoep van inorganische elementen, organische moleculen kunnen ontstaan onder bepaalde omstandigheden die de atmosfeer of de oceanen van de vroege Aarde nabootsen. Het is op deze manier mogelijk aminozuren, nucleotiden en koolhydraten te creeëren die op hun beurt korte ketens van resp. polypepeptiden (eiwitten), polynucleotiden (RNA en DNA), en ribosen (suikers) kunnen vormen. Het is nog niet experimenteel aangetoond dat deze moleculen ook inderdaad de ingewikkelde eiwitten, DNA- of RNA-moleculen vormden die we in levende organismen tegenkomen, maar het is niet moeilijk te veronderstellen dat na een lange incubatietijd en met behulp van hoge temperaturen en/of catalyserende substraten er reacties plaats konden vinden, die inderdaad deze macromoleculen voortbrachten. Zie voor een uitgebreide beschrijving van abiogenese het blog van Qabouter.
Plaatje van subuniteit van ribosoom geleend van Wikipedia. Oranje: enkelstrengs RNA. Blauw: eiwit
Een volgende stap in deze ontwikkeling is de vorming van zelfreplicerende en/of catalyserende moleculen. Het belangrijkste catalyserende molecuul dat zich in alle levende organismen bevindt is het ribosoom. Een ribosoom is gevormd door twee subuniteiten en bevat zowel RNA als eiwitten. Het is verantwoordelijk voor de ‘vertaling’ van het mRNA in eiwitten. Het mRNA is een molecuul dat (meestal) een exacte kopie is van een gen op het DNA. Het DNA dat zich in de celkern bevindt wordt gekopieerd in mRNA dat de celkern verlaat. In het cytoplasma wordt het mRNA door de ribosomen gelezen en vertaald in eiwitten zoals enzymen, antilichamen en structurele proteinen. Het is lang een discussiepunt geweest of de eerste macromoleculen eiwitten waren of RNA. Eiwitten zijn vaak enzymen die reacties kunnen catalyseren, iets wat nodig is voor de synthese van RNA bijvoorbeeld. Het feit dat de catalyserende kern van het ribosoom uit RNA bestaat, waardoor het molecuul ook wel ribozyme genoemd wordt, heeft vele wetenschappers ervan overtuigd dat de oersoep op een bepaald moment een RNA-wereld was, waarin RNA zowel een coderend als en catalyserend molecuul was.
Van deze oermoleculen is natuurlijk allang geen spoor meer te vinden; er zijn geen moleculaire fossielen. Het kan dus nooit direct aangetoond worden dat er bijv. een RNA-wereld was.
Het ribosoom, dat zo’n 4 miljard jaar geleden onstaan moet zijn, is hetzelfde in alle procaryoten (bacteriën) en verschilt van dat van eukaryoten (dieren en planten), die op hun beurt allemaal hetzelfde cytoplasmatische ribosoom hebben.
Een studie in Nature met als titel Hypothesis beschrijft hoe de tegenwoordige ribosomen ontstaan zouden kunnen zijn uit de aggregatie van kleinere domeinen. Deze studie laat zien hoe de subuniteit van het ribosoom 23S (van prokaryoten) achtereenvolgens ontdaan kon worden van 59 onderdelen, zonder dat de stabiliteit van de driedimensionele structuur van het overgebleven deel werd aangetast. Werden deze onderdelen weer langzaamaan toegevoegd, dan hervond het proto-ribosoom een steeds grotere sintesecapaciteit. Elke component voegde zich pas aan het voorgaande geheel toe als dit een verhoogde stabiliteit of efficiëntie betekende. De hypothese is dat gedurende de eerste stadia van evolutie het ribosoom uitsluitend uit RNA bestond (ribozyme) en pas nadat het efficiënt genoeg was om ook eiwitten te produceren werden deze laatsten ook belangrijk op aarde en in de structuur van het ribosoom.
Dit zou de eerste stap geweest kunnen zijn van een RNA-wereld naar een eiwitwereld, maar het blijft slechts een hypothese…
Elk levend organisme is tegelijkertijd een fossiel. Het draagt tot in de microscopische structuur van zijn proteïnen, de sporen, zoniet de stigma’s van zijn voorouders. Jacques Monod: Toeval en onvermijdelijkheid
The poetry of Science
Twee uitblinkende wetenschappers van vandaag, Richard Dawkins (evolutiebioloog) en Neil deGrasse Tyson (astrofysicus), praten over de schoonheid van de wetenschap. Dit gesprek werd opgenomen aan de Howard University van Washington DC, 28 september 2010. Deze conversatie is zo ontspannen dat ze zo plaats gehad zou kunnen hebben voor een haardvuur, ook zonder publiek. Over waarom de wetenschap niet alleen een optie is, maar de enige werkelijkheid is die we bezitten. Het filmpje duurt ongeveer een uur, daarna zijn er vragen van het publiek.
Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.
Op zoek naar de klepel 
Laatste reacties