Microbiologie

De verste voorouder van complex leven komt in zicht in een Japans lab

Kleurrijke verzameling micro-organismen in Micropia, Artis. Beeld Micropia, Maarten van der Wal

De mens kan kennis gaan maken met zijn verste voorouder, van twee miljard jaar geleden. In japan, in het lab van microbiologen.

Een bijzondere gebeurtenis, 2 miljard jaar geleden, legde de basis voor alle complexe vormen van leven die we nu kennen, van schimmel tot mens. De precieze toedracht is een van de grote mysteries in de evolutiebiologie, maar de wetenschap krijgt nu de direct betrokkenen in het vizier.

Vijf jaar geleden kwam de eerste doorbraak, met genetische analyses van een bijzondere groep eencelligen. Ze werden Asgards gedoopt, naar het onderkomen van de goden in de Noorse mythologie. Er was een traditie ontstaan om nieuw ontdekte micro-organismen de namen van goden te geven, dus de naam van een godenhuis voor de hele groep was gepast.

Thijs Ettema was een van de onderzoekers die de Asgards op het spoor kwam. Ettema promoveerde ooit in Wageningen, werkte enkele jaren aan de universiteit van Uppsala in Zweden en is sinds een jaar weer terug aan Wageningen Universiteit, als hoogleraar microbiologie. “Het was een grote klapper, de publicatie van vijf jaar geleden in vakblad Nature, omdat we een nieuwe kijk kregen op de boom van het leven.”

Eencelligen zijn niet veel meer dan water met wat genetisch materiaal

Het leven op aarde begon zo’n 3,5 miljard jaar geleden met kleine, eencellige organismen, zoals bacteriën, die als eerste een membraan om zich heen vormden en zich daarmee scheidden van de buitenwereld. Binnen dat membraan zijn deze eencelligen niet veel meer dan water met wat genetisch materiaal (DNA) en enzymen, zonder veel structuur. Maar het ontwerp gaat al miljarden mee; bacteriën zijn er nog altijd in talloze soorten en aantallen.

Tegelijk met de bacteriën kwam een tweede groep op, de Archaea. Ook eencelligen met weinig structuur in hun cel, maar met een andere bouw en stofwisseling dan de bacteriën. De Archaea zijn minder bekend, maar ook zij gaan in hun basale ontwerp al miljarden jaren mee. Bacteriën en Archaea hebben, voor zover bekend, geen gemeenschappelijke voorouder.

En dan is er die derde groep, de groep die afscheid nam van het basale ontwerp en die complexe cellen ging vormen met verschillende onderdelen. Het belangrijkste onderdeel is de celkern, waarin het genetisch materiaal werd opgeslagen. Aan die kern ontleent de groep zijn naam: eukaryoten, afgeleid van het Grieks voor echte (eu) kern (karyon). De complexe vormen die het leven hiermee kon aannemen waren zo fundamenteel verschillend van de primitieve eencelligen (de prokaryoten) dat biologen niet konden bedenken hoe ze daaruit geëvolueerd konden zijn.

Maar daar kwamen vijf jaar geleden de Asgards in beeld. Ettema: “Asgards behoren tot de Archaea, maar ze vormen een bijzondere groep. We konden zien dat de Asgards genetische eigenschappen hebben die altijd als kenmerkend voor eukaryoten werden beschouwd. Die ontdekking opende de mogelijkheid dat het leven zich niet langs drie takken had ontwikkeld, maar langs twee. De Asgards lieten zien dat eukaryoten, en dus ook de mens, mogelijk toch voortgekomen zijn uit die primitieve eencelligen, de Archaea.”

‘We halen eigenlijk een kolom modder naar boven’

Samen met collega’s uit verschillende delen van de wereld heeft Ettema inmiddels een verscheidenheid aan Asgards in kaart gebracht. Nog steeds op basis van genetisch onderzoek. Probleem is dat de eencellige Asgards onder extreme omstandigheden leven, diep in de bodem van zeeën bijvoorbeeld, buiten bereik van zuurstof. Ettema: “We halen eigenlijk een kolom modder naar boven. En met moderne analysetechnieken kunnen we de genetische code vinden van alle micro-organismen die daarin zitten. Dat levert een schat aan informatie op, maar je zit te kijken naar het DNA van organismen die je nooit in levende lijve hebt gezien.”

Dat gaat nu veranderen. En niet Ettema heeft deze keer de primeur, maar een groep Japanse onderzoekers. Zij zijn er als eersten in geslaagd een Asgard in het lab te kweken. “Dat is heel bijzonder. Je moet bedenken dat 99 procent van microben die er op aarde zijn, nog nooit in een lab is gekweekt.”

De Japanners hebben er twaalf jaar over gedaan om het voor elkaar te krijgen. Ze hebben het zichzelf ook niet gemakkelijk gemaakt, zegt Ettema: “De soort die ze hebben gekweekt komt uit grote diepte in de zeebodem, een plek waar nauwelijks voedingsstoffen zijn en waar het weinig leven dat er is extreem langzaam groeit. We weten inmiddels dat Asgards ook in iets mildere omstandigheden voorkomen. Er moeten dus ook soorten zijn die sneller groeien en die we in het lab sneller kunnen kweken.”

Wat zich 2 miljard jaar geleden heeft voltrokken, is nog niet duidelijk

Er lopen inmiddels kweekproeven in Wageningen en enkele andere laboratoria elders in de wereld. En die gaan Asgards opleveren die sterker op de complexe eukaryoten lijken dan die eerste Asgard in het Japanse lab, verwacht Ettema.

Dat de Asgards genetische verwantschap vertonen met eukaryoten, maakt het aannemelijk dat ze betrokken zijn geweest bij het ontstaan van de complexe vormen van leven. Maar wat zich destijds, 2 miljard jaar geleden precies heeft voltrokken, is nog niet duidelijk. Er is wel een vermoeden wat de aanleiding is geweest: zuurstof. Zuurstof is een vernietigend gas voor veel vormen van leven. Maar eukaryoten gebruiken het als energiebron. Dat is een kenmerk dat alle eukaryoten delen, van schimmel en plant tot dier en mens. En het is terug te voeren op een structuur die in alle eukaryote cellen te vinden is: mitochondriën.

Mitochondriën, naast de celkern misschien wel het belangrijkste onderdeel, zijn de energiecentrales van de cel. Maar ooit moet die mitochondrie een vrij levende bacterie zijn geweest. Ettema: “Daar gaat de wetenschappelijke discussie over het volgende. Een bacterie die uit zuurstof energie kon putten, moet in een Asgard zijn beland. Misschien is hij opgeslokt, misschien is er een symbiose tot stand gekomen tot beider voordeel. Het precieze scenario kennen we niet.”

Het is wel duidelijk, zegt Ettema, dat eukaryoten slechts één keer zijn ontstaan. “Microbiologen kijken naar allerlei vormen van interactie tussen micro-organismen. We zien allerlei varianten van samenwerking, zónder dat er complexe levensvormen zoals eukaryoten ontstaan. Dus dat is niet gebruikelijk; het is maar één keer gebeurd.”

De vorming van het hele planten- en dierenrijk van complex leven kan dus het resultaat zijn geweest van een eenmalige gebeurtenis. De primitieve eencelligen, bacteriën en Archaea, konden gewoon doorleven zoals ze deden, zonder te evolueren naar hogere vormen, En dat hebben ze ook gedaan. Maar de komst van zuurstof in de aardse atmosfeer heeft de poort geopend voor andere levensvormen. Een bijzondere Archaea, een Asgard, moet door die poort zijn gegaan, met een bruikbare bacterie onder de arm.

Lees ook:

Het leven op aarde was een geschenk uit de ruimte

De bouwstenen van het leven zijn niet door meteorieten aangeleverd. Ze komen van de planeet die op de aarde botste en zo de maan voortbracht.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden