Researchers redefine scenario for the origin of complex life

Nieuws

Onderzoek levert nieuw scenario op voor de oorsprong van complex leven

Gepubliceerd op
4 april 2019

Hoe ontstond er ongeveer twee miljard jaar geleden complex leven op aarde? Onderzoek door een internationaal team van wetenschappers uit Zweden, de Verenigde Staten, Australië en Nederland levert nu een nieuwe kijk op de zaak. In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in Nature Microbiology presenteert het team een nieuw model over de eerste complexe celtypen waaruit planten, schimmels, maar ook dieren en mensen zijn opgebouwd. Ze beschrijven hoe er in de evolutie complexe cellulaire levensvormen ontstonden door de metabole integratie van eenvoudigere celtypen.

Het leven op aarde bestaat uit drie hoofdgroepen. Twee van deze groepen worden vertegenwoordigd door microbiële levensvormen, de bacteriën en de archaea. Deze staan gezamenlijk bekend als de prokaryoten. De cellen van deze prokaryoten zijn over het algemeen klein en eenvoudig. Bij de derde groep organismen gaat het om alle zichtbare levensvormen, zoals mensen, dieren en schimmels. Deze groep staat bekend als de eukaryoten. Eukaryote cellen zijn over het algemeen veel groter en complexer dan cellen van prokaryoten. De oorsprong van de eukaryote cel is een van de meest fundamentele raadsels in de evolutie van het leven op aarde. Nu is er door het werk van een internationaal collectief van onderzoekers, onder leiding van Thijs Ettema (Wageningen University & Research en de Universiteit van Uppsala in Zweden), meer duidelijkheid gekomen over de evolutionaire overgang van eenvoudige prokaryote naar meer complexe eukaryote celtypen.

Versmelting met wederzijds voordeel

Uit eerder onderzoek is gebleken dat de eukaryote cel is ontstaan uit een archaeacel en een bacteriecel. De bacterie werd op een gegeven moment opgenomen in de archaeacel. Er is algemene consensus dat de cellen bij elkaar kwamen vanwege een wederzijds voordelige interactie, die symbiose genoemd wordt. De meest plausibele hypotheses over de oorsprong van eukaryoten gaan uit van een symbiose waarbij de ene partner metabolieten produceert die de andere partner gebruikt. In de afgelopen decennia is er in de wetenschappelijke wereld echter fel gediscussieerd over hoe deze metabole symbiose nu precies in elkaar zit.

Nauwste verwanten: Asgard-archaea

Recent onderzoek in het laboratorium van Ettema heeft al belangrijke informatie opgeleverd over de identiteit van de archaea-gastheercel in dit scenario. Op basis van genoomonderzoek heeft Ettema’s team een nieuwe groep archaea geïdentificeerd, de zogeheten Asgard-archaea. Het team heeft aangetoond dat dit de nauwste prokaryote verwanten van de eukaryoten zijn. “Onze eerdere analyses waren vooral gericht op de identificatie van eukaryote kenmerken in het genoom van deze Asgard-archaea, en niet op hun metabole eigenschappen,” vertelt Ettema. “Maar nu wilden we bekijken of we uit deze genomen ook iets te weten konden komen over hun metabolisme. Dat zou nieuw licht kunnen werpen op de hypothese van de metabole symbiose die ten grondslag ligt aan de oorsprong van de eukaryoten.”

Het onderzoeksteam ging aan de slag om het metabole repertoire te analyseren dat werd gecodeerd door de beschikbare genomen van Asgard-archaea. “Een verrassend kenmerk van de Asgard-archaea is hun vermogen om complexe koolhydraten te gebruiken als groeisubstraat,” vertelt Anja Spang, wetenschapper aan de Universiteit van Uppsala en het NIOZ, en hoofdauteur van het onderzoek. “Bovendien codeert het genoom van bijna al deze archaea voor verschillende enzymen waarvan wordt voorspeld dat ze betrokken zijn bij de afbraak van koolwaterstoffen en vetzuren met verschillende ketenlengtes.”

Elektronen opnemen uit een gastheercel

De resultaten van het onderzoek duiden erop dat de archaeale voorloper van eukaryoten wellicht verschillende organische substraten gebruikte voor zijn groei. Eukaryoten, waaronder wijzelf, metaboliseren ook organische substraten, maar dat doen ze efficiënter door gebruik te maken van zogeheten terminale elektronenacceptoren. Deze acceptoren nemen de elektronen op die vrijkomen tijdens de groei op een organische substraat. Maar dit onderzoek duidt erop dat deze terminale elektronenacceptoren hoogstwaarschijnlijk ontbraken in de archaeale voorloper van de eukaryoten. Dat roept de vraag op waar de elektronen dan bleven. Spang licht toe: “Onze hypothese is dat de archaeale gastheercel zijn groei in stand hield door te leven in nauwe samenwerking met een bacteriële partner, die elektronen uit de archaeacel opnam. Ook eerdere modellen gingen al uit van een overdracht van elektronen tussen de archaeagastheer en de bacterie waarmee deze in symbiose leeft. Maar op basis van onze analyses stellen we een model voor waarin de stroom van elektronen omgekeerd is. Zo'n omgekeerde stroom van elektronen tussen symbiotische archaea en bacteriën zie je vaak in de natuur.”

Uiteindelijk wil Ettema’s team de nieuwe hypothese, die nu nog puur is gebaseerd op genoomanalyses, experimenteel verifiëren. Daarvoor is het echter nodig om Asgard-archaea te kweken in het laboratorium, en dat lukt vooralsnog niet. “We boeken vooruitgang, maar we zijn er nog niet. In de tussentijd richten we ons op het analyseren van nieuwe genomen van Asgard-archaea. Dat zal enorm bijdragen aan het verfijnen van onze eerste conclusies,” aldus Ettema. “Ik ben ervan overtuigd dat we de komende jaren nog meer te weten komen over een van de meest fascinerende en veelbesproken gebeurtenissen in de evolutie van complexe cellen: het ontstaan van de eukaryoten.”