Microbiologie in hapklare porties
Ontmoeting met onze voorouders
De Aarde werd ongeveer 4,5 miljard jaar geleden gevormd in een proces waarbij de zwaartekracht aan kosmisch stof en wervelende gassen trok. Vrij “snel” daarna verscheen de eerste vorm van leven en die was natuurlijk microscopisch van aard. Wetenschappers schatten dat het allereerste teken van leven ongeveer 3,9 miljard jaar geleden werd achtergelaten door micro-organismen op rotsen. Terwijl het biologische leven zich op de meest chaotische en onbegrijpelijke wijze bleef ontwikkelen, verscheen er een zeer bijzonder eencellig organisme. Het werd later bekend als LUCA – laatste universele gemeenschappelijke voorouder (EN: Last Universal Common Ancestor). Aangenomen wordt dat LUCA de laatste voorouder is van al het huidige leven op aarde (het is echter niet de eerste vorm van leven).
Menselijke nieuwsgierigheid, wetenschappelijke- en technologische doorbraken bleven het mysterie van het vroege leven op Aarde ontrafelen. Wetenschappers wilden het pad van de evolutionaire ontwikkeling van het leven achterhalen. De vraag was: “Wat gebeurde er na LUCA en hoe ontwikkelde het leven zich tot wat we vandaag hebben?” Microbiologen, evolutiebiologen en genetici stelden een model voor van drie domeinen van leven: Bacteriën, Archaea, en Eukaryota (met de LUCA onderaan). Dit was voor een lange tijd een gevestigd model, totdat de onderzoekers besloten om wat dieper te graven…
Het is bekend dat Bacteria een monofyletisch domein is, wat betekent dat het één duidelijke voorouder had. Daarom zou er een LBCA (laatste gemeenschappelijke voorouder van bacteriën) geweest kunnen zijn. Joana C. Xavier en haar collega’s wilden meer te weten komen over de LBCA, dus richtten zij hun onderzoek op een reconstructie van de levenswijze en de habitat van deze zeer oude bacterie.
Het eenvoudigste was om vast te stellen of die bacterie al dan niet zuurstof ademde. Veel levensvormen die vandaag op deze planeet aanwezig zijn, waaronder wij mensen, kunnen niet zonder zuurstof. Het eenvoudige O2 molecuul speelt een vitale rol in het proces van energieopwekking, dat alle biologische systemen van brandstof voorziet. Tot ~2,4 miljard jaar geleden had de aarde echter geen atmosferische zuurstof, wat betekent dat er levensvormen waren die prima zonder dit kostbare gas konden overleven. Micro-organismen die geen zuurstof nodig hebben om te functioneren, worden anaëroben genoemd, en men concludeerde dat LBCA hoogstwaarschijnlijk een van deze organismen was.
Veel anaëroben hebben een aantal verschillende biochemische routes die ze gebruiken om energie op te wekken, en zoals je al kan raden, zijn deze routes miljarden jaren geleden ontstaan. Verschillende bewijzen wijzen erop dat de eerste LBCA-cellen autotroof waren. Dit betekent dat de bacterie in kwestie zijn eigen voedsel genereerde met behulp van een zeer minimale set elementen. Als je erover nadenkt, is dat heel logisch. In de tijd dat LBCA bestond, was de aarde één grote zoute soep waarin miljoenen verschillende atomen en mineralen ronddreven. De aardkorst begon zich net te vormen en de continenten waren nog in hun beginstadium. De zogenaamde “atmosfeer” bestond alleen uit koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2), en waterdamp. Interessant is dat LBCA slechts negen verbindingen nodig had om zijn intermediaire metabolisme te voltooien, dat verwijst naar alle processen in een cel die nutriënten omzet in celcomponenten (laten we ze “vroege organellen” noemen). Negen lijkt wel weinig, maar toch was dit aantal voldoende om de de bacterie te laten overleven. Kunnen we LBCA een primitieve bacterie noemen of was hij slim toegerust voor de huidige omstandigheden… Dat is aan jou om te beslissen!
Wat voor soort energiebron maakte LBCA? Het zal je verbazen, maar het was de ons welbekende glucose (C6H12O6)! Om glucose te maken, schonk de evolutie LBCA een heel eigenaardig mechanisme dat zelfs ons lichaam nu nog gebruikt: gluconeogenese – de vorming van nieuwe glucosemoleculen uit niet-koolhydraat koolstofsubstraten.
Tenslotte hebben de onderzoekers geprobeerd een modern organisme te vinden dat het meest nauw verwant zou zijn met LBCA, en dit micro-organisme bleek te behoren tot de klasse van Clostridia. Bacteriën in deze klasse staan bekend om hun strikt anaërobe ademhaling, wat overeenkomt met wat Xavier et al. over LBCA ontdekten. Deze studie werd uitgevoerd door families van eiwitten te analyseren en door de evolutionaire afsplitsing van bacteriële genen te berekenen. De onderzoekers benadrukken echter dat als het gaat om bacteriële genen, deze meestal sterk met elkaar verweven zijn als gevolg van het effect van laterale / horizontale genoverdracht. Daarom zal een traditioneel verticaal perspectief op bacteriële evolutie hier niet juist zijn, omdat genen gedurende miljoenen jaren willekeurig van de ene bacteriesoort op de andere werden overgedragen.
Dit onderzoek toont niet alleen de kracht aan van de reconstructie van evolutionaire gebeurtenissen, maar ook hoe nauw verwant al het leven op aarde is. Overblijfselen van oeroude levensvormen, die miljarden jaren geleden bestonden, kunnen vandaag de dag nog steeds worden gevonden en hebben nog steeds een belangrijke invloed op het ‘begrip van het leven’. Wie weet, kunnen oermicroben inderdaad de toekomst van de wetenschap veranderen.
Link to the original post: Xavier, J.C., Gerhards, R.E., Wimmer, J.L.E. et al. The metabolic network of the last bacterial common ancestor. Commun Biol 4, 413 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-01918-4
Featured image: https://pixabay.com/vectors/family-tree-genealogical-tree-6093805/?download and Biorender.com
*Note: Phylogenetic tree used as a featured image DOES NOT represent an exact evolutionary pathway of microbes placed in this tree. The only evolutionary-true fact in this tree is that LBCA was at the origin of microbial divergence.
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 