Microbiologie in hapklare porties
Je oudste voorouder leren kennen
Heb je je ooit afgevraagd hoe ver je in de stamboom zou kunnen teruggaan? Wie was je betovergrootmoeder? En hoe zit het met je betovergrootmoeder? Als je de stamboom zou blijven volgen, wie zouden je voorouders dan zijn? Misschien grote kunstenaars, wereldleiders, pionierende landbouwers, volleerde jagers. Iets verder terug in de boom vind je onze dichtstbijzijnde niet-menselijke voorouders – primaten, kleine knaagdieren, uiteindelijk dinosaurussen. Naarmate je verder door deze stamboom van je voorouders gaat, zul je organismen vinden die steeds minder op je lijken. Dit gaat zo door tot je bij je betovergrootmoeder aankomt: LUCA, of de Laatste Universele Gemeenschappelijke Voorouder. De voorouder van al het leven dat momenteel op deze planeet bestaat*.
* Hoe weten we eigenlijk dat er een LUCA was? Is het mogelijk dat het leven meer dan eens geëvolueerd is? Dat een deel van het leven dat hier terecht is gekomen op andere planeten is ontstaan? Op basis van een aantal overeenkomsten die anders heel moeilijk te verklaren zouden zijn, geloven wetenschappers dat al het leven op aarde is ontstaan uit één gemeenschappelijke voorouder. Deze overeenkomsten zijn onder andere onze gedeelde genetische code, het feit dat alle levensvormen gebruik maken van dezelfde machinerie voor eiwitsynthese, de chiraliteit (of handigheid) van alle bouwstenen die gebruikt worden om eiwitten te maken en het gemeenschappelijke gebruik van ATP als energetische valuta.
In een nieuw artikel gebruikt een groep wetenschappers de genetische inhoud van bestaande organismen om te reconstrueren hoe deze voorouder eruit zou kunnen hebben gezien. LUCA was een eencellig organisme, waarschijnlijk vergelijkbaar met moderne bacteriën en archaea. Het leefde waarschijnlijk ook samen met andere organismen, maar het is onmogelijk om te weten hoe deze hedendaagse organismen waren omdat ze geen nakomelingen hebben achtergelaten. eerste paragraaf
Waar leefde LUCA? Wie waren zijn buren?
Om te begrijpen hoe LUCA in zijn levensonderhoud voorzag, construeren de auteurs een fylogenetische boom van levende bacteriën en archaea en gebruiken ze de genen die zij gebruiken om te metaboliseren om de genen af te leiden die LUCA gehad kan hebben. In hun benadering houden ze rekening met zowel verticale (van ouder op nageslacht) als horizontale (van hedendaags organisme op een ander hedendaags organisme) genetische overdracht. Hierdoor kunnen ze meer genfamilies in hun analyse opnemen.
Op basis van dit gereconstrueerde metabolisme zou LUCA aan het oceaanoppervlak kunnen hebben geleefd, waar de atmosfeer een bron van kooldioxide en waterstof zou hebben geleverd (beide noodzakelijke ingrediënten van LUCA’s dieet), of in de diepe oceaan bij een hydrothermale opening. De aanwezigheid van een enzym dat verband houdt met thermotolerantie in hedendaagse organismen ondersteunt de hydrothermale kloof hypothese. Diep in de oceaan leven zou LUCA ook hebben beschermd tegen het Late Zware Bombardement (waarbij de aarde zou zijn gebombardeerd door een zeer groot aantal asteroïden en kometen), dat zou hebben plaatsgevonden rond de geschatte leeftijd van LUCA.
Het vermogen van LUCA om complexe koolhydraten af te breken impliceert dat het mogelijk in gemeenschappen heeft geleefd met andere organismen die deze complexe koolhydraten konden produceren. Hoewel LUCA in theorie geïsoleerd had kunnen leven en alles had kunnen produceren wat het nodig had, zou het waarschijnlijk bijproducten hebben geproduceerd die andere levensvormen hadden kunnen eten. Daarom zou het waarschijnlijk niet lang in isolatie zijn gebleven. Onder de organismen die hadden kunnen profiteren van LUCA’s metabolische eindproducten zijn methanogenen: organismen die het door LUCA geproduceerde acetaat hadden kunnen afbreken tot methaan en dit in de atmosfeer hadden kunnen lozen.
Wat deed LUCA? Wat at het?
Gebaseerd op de reconstructie van de auteur van LUCA’s metabolisme, was het waarschijnlijk in staat om chemische energie te gebruiken om kooldioxide om te zetten in organische koolstof (in LUCA’s geval zou deze gefixeerde koolstof de vorm van acetaat hebben aangenomen), en om suiker te consumeren voor energie en koolstof. Het was waarschijnlijk ook anaeroob, wat betekent dat het geen zuurstof nodig had om te groeien. Dit is logisch aangezien het waarschijnlijk bestond op een planeet met veel minder beschikbare zuurstof dan wij vandaag de dag hebben. LUCA was waarschijnlijk niet in staat om te fotosynthetiseren.
Bestaande organismen die vergelijkbare stofwisselingsprocessen als LUCA gebruiken, zijn zeer succesvol omdat ze flexibele stofwisselingsmogelijkheden hebben waardoor ze onder verschillende omgevingsomstandigheden kunnen groeien. Acetogenese (wat LUCA voornamelijk zou hebben gedaan) heeft een vrij lage energieopbrengst en LUCA was waarschijnlijk een langzame groeier.
LUCA lijkt ook een vroege versie van het CRISPR/Cas adaptieve immuunsysteem te coderen dat bacteriën tegenwoordig gebruiken om zich te verdedigen tegen virale infecties. Dit suggereert dat virussen al heel vroeg in de evolutionaire geschiedenis van het leven aanwezig en actief waren.
Wanneer leefde LUCA?
De auteurs gebruiken een techniek die een “moleculaire klok” wordt genoemd, waarbij de leeftijd van een voorouder wordt geschat aan de hand van de genetische inhoud van organismen die nog bestaan in combinatie met het fossielenbestand. We weten dat LUCA moet hebben geleefd tussen 4,510 miljard jaar geleden (toen de inslag die uiteindelijk onze maan vormde de aarde trof – een gebeurtenis die onmogelijk zou zijn geweest om te overleven) en 2,954 miljard jaar geleden (toen we op basis van geochemische gegevens weten dat zuurstofrijke fotosynthese moet hebben plaatsgevonden). Met behulp van een set genen die al het leven gemeen heeft en waarvan wordt aangenomen dat ze zijn gedupliceerd in het genoom van LUCA, schatten ze dat LUCA 4,2 miljard jaar geleden leefde.
Dit nieuwe werk geeft een beeld van een vrij complex organisme dat in een extreem oude geschiedenis leefde. LUCA had waarschijnlijk een genoom van vergelijkbare grootte en functionele complexiteit als moderne bacteriën, en codeerde zelfs een vroege versie van adaptieve immuniteit.
Link to the original post: Moody, E.R.R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T.A. et al. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol 8, 1654–1666 (2024). https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1
Featured image: Image created with Bing Image Generator.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 