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

Het kleinste genoom

Nancy Moran onderzoekt de symbiose tussen bacteriën en de cicaden (snavelinsecten). Deze cicaden zuigen plantensappen die voornamelijk uit water bestaan. Zouden ze niet in symbiose leven met de bacteriën dan zouden ze niet kunnen overleven. Hetzelfde geldt voor de bacteriën. Hun genoom is zo gereduceerd dat ze niet buiten hun gastheer kunnen leven. Hier volgt een kort verslag van het interview van Carl Zimmer met Nancy Morgan.

Zowel bladluizen als cicaden bevatten endosymbiotische bacteriën. Deze bevinden zich in

Uit wikipedia: sharpshooter

zogenaamde bacteriocyten, speciale organen aan weerszijde van het abdomen waarvan de cellen de bacterie bevatten. De sharpshooter (een cicade) voedt zich met de plantensappen, die vooral uit water en slechts een paar aminozuren en wat mineralen bestaan. De symbiotische bacteriën maken aminozuren en vitaminen aan en verrijken het dieet van de cicade.
De bacteriën worden ‘verticaal’ overgeërfd: ze worden via de eicellen doorgegeven aan de volgende generatie.
Het zijn zogenaamde primaire symbionten; ze kunnen niet buiten de gast leven en worden als zodanig in het laboratorium bestudeerd. Er zijn fylogenetische stambomen gereconstrueerd van zowel de cicade als de bacteriën waaruit blijkt dat de vertakkingen exact overeenkomen. Er heeft zich duidelijk co-evolutie voorgedaan. De sharpshooter heeft twee symbionten. De oudste heeft een stamboom die teruggaat naar 270 miljoen jaar geleden en is symbiont van vele verwante insecten. De tweede is jonger, slechts zo’n 40 miljoen jaar oud en is specifiek voor de sharpshooter.
Deze symbionten hebben enorm veel genen verloren. Terwijl een bacterie als E. coli 5000 genen heeft die allemaal nodig zijn voor de celdeling en het metabolisme, heeft een symbiont er veel minder nodig. Door mutaties en deleties worden gedeelten van het genoom verloren. Veel van deze mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door genetische drift omdat de populaties erg klein zijn.

De kleinste van de twee symbionten heeft een genoom van slechts 145 kb (ongeveer 160 genen) tegen een genoom van 5000 kb in E. coli en is daarmee het kleinste genoom dat er bestaat.
De twee symbionten maken samen precies de 10 essentiële aminozuren aan en zijn daarin exact complementair.

Carl Zimmer vraagt uiteindelijk of er een parallel getrokken kan worden tussen de mitochondriën en deze bacteriën. Er is immers een vergelijkbaar verlies van genen, een snelle evolutie van het genoom en genetische drift. Maar de mitochondriën zijn veel ouder en maakten deel uit van de eerste eucaryotische cel. In het geval van de cicaden gaat het om meercellige organismen waar de symbiont alleen in enkele gespecialiseerde cellen te vinden is.
Bovendien was er sprake van overdracht van genen van de eerste mitochondriën naar het genoom van de gastcel. De producten van de gastcel gaan weer terug naar het mitochondrium. In het geval van de cicaden is dat niet zo.

De onderzoekers zijn nog niet zeker of deze symbionten het kleinste genoom hebben dat er bestaat. Het kan zijn dat mettertijd nieuwe soorten nog kleinere symbionten ontdekt worden.

Het interview van Carl Zimmer met Nancy Moran waarin nog meer fantastische details ter sprake komen kan hier beluisterd worden.

Uit: PNAS, Plosgenetics, wikipedia.