Evolutie is een nogal wonderbaarlijk proces van lange adem, met enkele willekeurige uitbarstingen van activiteit die verantwoordelijk zijn voor de diversiteit van het leven op onze planeet vandaag de dag. Dit kan op grote schaal gebeuren, zoals de evolutie van efficiëntere ledematen. Ze komen ook voor op microscopisch cellulair niveau, bijvoorbeeld wanneer verschillende delen van de cel voor het eerst worden gevormd.
Nu heeft een team wetenschappers een teken ontdekt van een belangrijke levensgebeurtenis die waarschijnlijk al minstens een miljard jaar niet heeft plaatsgevonden. Ze observeerden primaire endosymbiose – twee levensvormen die samensmelten tot één organisme. Deze ongelooflijk zeldzame gebeurtenis die plaatsvond tussen een soort met veel zeewier en een bacterie, werd waargenomen in een laboratoriumomgeving. Ter perspectief: planten waren de eersten die onze planeet begonnen te bevolken toen dit voor het laatst gebeurde. De resultaten worden beschreven in twee artikelen die onlangs in tijdschriften zijn gepubliceerd Cel En Wetenschap.
Waar zijn de ‘krachtcentrale van de cel’ en de bladgroenkorrels Komt van
Primaire endosymbiose treedt op wanneer het ene microbiële organisme een ander microbieel organisme opneemt. Vervolgens begint het de ingenomen organismen als een inwendig orgaan te gebruiken. Het gastheerorganisme – nu een endosymbiont genoemd – biedt verschillende voordelen, waaronder voedingsstoffen, energie en bescherming. Wanneer het niet langer alleen kan overleven, wordt de ingenomen endosymbiont een gastheerorgaan dat een organel wordt genoemd.
“Het komt zeer zelden voor dat organellen voortkomen uit dit soort dingen”, zegt Tyler Coale, co-auteur van het boek Cel studie en postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, aldus de release. “De eerste keer dat we denken dat het gebeurde, veroorzaakte het alle complexiteit van het leven.”
Endosymbiose, waarbij de levensvorm van een gastheer fundamenteel wordt voor de functie van een ander organisme, heeft slechts drie bekende keren plaatsgevonden. Al deze gevallen vormden een grote doorbraak voor de evolutie, aangezien fusie met hun gastheren fundamenteel werd voor het bestaan van endosymbionten.
De eerste gebeurtenis vond ongeveer 2,2 miljard jaar geleden plaats. Vervolgens slikte een eencellig organisme, een archaea genaamd, de bacterie in, die uiteindelijk een mitochondrion werd. Elke biologiestudent leert dat dit gespecialiseerde organel de ‘krachtcentrale van de cel’ is en dat de vorming ervan de ontwikkeling van complexe organismen mogelijk heeft gemaakt.
“Alles dat complexer is dan een bacteriële cel, dankt zijn bestaan aan die gebeurtenis”, zei Coale. “Een miljard jaar geleden gebeurde het opnieuw met de bladgroenkorrel en dat leverde ons planten op”, zei Coale.
Deze tweede gebeurtenis vond plaats toen de meer geavanceerde cellen de cyanobacteriën absorbeerden. Cyanobacteriën kunnen energie uit zonlicht halen en uiteindelijk organellen worden, chloroplasten genaamd, die energie uit zonlicht kunnen halen. Chloroplasten gaven ons nog een ander basisprincipe van de biologie: groene planten die voedsel kunnen maken van de zon.
Met deze nieuwste endosymbiose-gebeurtenis is het mogelijk dat algen stikstof uit de atmosfeer omzetten in ammoniak die het voor andere cellulaire processen kan gebruiken. Hij heeft echter de hulp van bacteriën nodig.
Een nieuw organel?
In een artikel gepubliceerd in Cel, een team van wetenschappers laat zien dat dit proces opnieuw plaatsvindt. Ze keken naar het soort algen dat genoemd werd Braarudosphaera bigelowii. De algen die de cyanobacterie hebben overspoeld, geven hem enkele superkrachten van planten. Het kan stikstof rechtstreeks uit de lucht “fixen” en combineren met andere elementen om nuttiger verbindingen te vormen. Dit is iets wat planten normaal niet kunnen.
Stikstof is een zeer belangrijke voedingsstof voor het voortbestaan van het leven en planten verkrijgen deze doorgaans via onderlinge relaties met bacteriën die gescheiden blijven van de plant of algen. Tim dacht eerst van wel B. bigelowii de algen hadden een soort symbiotische relatie met een bacterie genaamd UCYN-A. De relatie werd feitelijk veel hechter en serieuzer.
[Related: You have no idea how much you need these bacteria.]
Ze ontdekten dat de grootteverhouding tussen algen en UCYN-A-bacteriën vergelijkbaar blijft bij verschillende geassocieerde soorten B. bigelowii algen. De groei lijkt te worden gecontroleerd door de uitwisseling van belangrijke voedingsstoffen, waardoor hun metabolisme met elkaar wordt verbonden. Deze synchronisatie van groeisnelheden bracht de onderzoekers ertoe UCYN-A een soortgelijk organel te noemen.
“Dat is precies wat er gebeurt met organellen”, zegt co-auteur en microbiële oceanograaf Jonathan Zehr van de Universiteit van Santa Cruz. “Als je naar de mitochondriën en de chloroplast kijkt, is het hetzelfde: ze groeien samen met de cel.”
Introductie van nitroplast
Om meer bewijs te vinden dat deze bacterie een organel is, moesten ze dieper naar binnen kijken. Een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap gebruikte geavanceerde röntgenbeelden om een beeld te krijgen van het interieur van de woonkamer B. bigelowii algen cellen. Hieruit bleek dat replicatie en celdeling gesynchroniseerd zijn tussen de gastheeralgen en de UCYN-A-bacterie. Dit leverde nog meer bewijs op van het proces van koppeling van dit organisme aan primaire endosymbiose op het werk.
“Tot dit werk was het nog de vraag of dit nog steeds een ‘endosymbiont’ is of een echt organel is geworden?” Carolyn Larabell, co-auteur en onderzoekswetenschapper aan het Berkeley Biosciences Area Laboratory en directeur van het National Center for X-ray Tomography, zei in een verklaring. “We hebben met röntgenbeelden aangetoond dat het proces van replicatie en deling van de algengastheer en de endosymbiont gesynchroniseerd is, wat het eerste sterke bewijs oplevert.”
Ook vergeleken ze de eiwitten van de geïsoleerde UCYN-A-bacterie met de eiwitten in de algencellen. Het team ontdekte dat de geïsoleerde bacteriën slechts ongeveer de helft van de benodigde eiwitten konden produceren. Het heeft een algengastheer nodig om het te voorzien van de rest van de eiwitten die nodig zijn voor het leven.
“Dat is een van de kenmerken van iets dat van een endosymbiont naar een organel gaat”, zei Zehr. “Ze beginnen stukjes DNA af te werpen, en hun genomen worden kleiner en kleiner, en ze beginnen afhankelijk te worden van de oudercel om die genproducten (of het eiwit zelf) naar de cel te transporteren.”
Het team is van mening dat dit erop wijst dat UCYN-A als een volledig organel kan worden beschouwd. Ze gaven het de naam “nitroplast”, en het begon zich mogelijk ongeveer 100 miljoen jaar geleden te ontwikkelen. Hoewel dit voor ons menselijk tijdsbesef lang klinkt, is het in de evolutionaire tijd slechts een milliseconde vergeleken met mitochondriën en chloroplasten.
Veel andere vragen over UCYN-A en zijn algengastheer blijven onbeantwoord, en het team is ook van plan te ontdekken dat UCYN-A en de alg op elkaar inwerken en verschillende stammen bestuderen. Verder onderzoek naar nitroplasten zou ook kunnen bepalen of ze in andere cellen aanwezig zijn en wat hun voordelen zouden kunnen zijn. Het zou bijvoorbeeld een brede toepassing in de landbouw kunnen hebben.
“Dit systeem is een nieuw perspectief op stikstoffixatie en zou aanwijzingen kunnen geven over hoe zo’n organel in landbouwgewassen kan worden verwerkt”, zegt Coale.
Volgens Zehr zullen wetenschappers waarschijnlijk andere organismen vinden die vergelijkbare evolutionaire verhalen hebben als UCYN-A, maar deze ontdekking is “er één voor in de leerboeken.”