Je leest:

Anhydrobiologie: kurkdroog, springlevend

Anhydrobiologie: kurkdroog, springlevend

Auteur: | 22 april 2000

Natuurlijk is water belangrijk voor het leven, maar veel interessanter is de vraag waarom sommige levensvormen evengoed helemaal zonder kunnen. Het antwoord ligt besloten in glas.

Soms kan je ze kopen bij het tuincentrum: de Roos van Jericho (Anastatica hierochuntica). Een gortdroog, bruinig struikje, dat op een bord met water in korte tijd ontrolt en weer groen wordt. Of neem een buisje met pekelkreefteitjes (Artemia) uit de aquariumzaak. Na jaren op de plank, zwemmen ze in zout water binnen drie dagen uit.

Wie hetzelfde zou proberen met een gedroogde krop sla of gevriesdroogd kikkerdril, kan heel lang wachten tot het organisme weer tot leven komt. Wat bepaalt het verschil? Waarom resulteert de afwezigheid van water bij de ene levensvorm in de dood en bij de andere in een jarenlange overleving?

‘De Amerikaanse onderzoeker John Crowe zag al jaren geleden dat droogtetolerante organismen veel suikers bevatten’, zegt dr. ir Folkert Hoekstra van het Laboratorium voor Plantenfysiologie in Wageningen. ‘Suikers zoals saccharose en trehalose leveren een belangrijke bijdrage aan het overleven van een droogteperiode.’

Taaie zuurtjes

Hoekstra’s belangstelling voor anhydrobiologie begon twintig jaar geleden met onderzoek aan stuifmeel (‘Ik was toen een eenling, nu is er veel meer competitie.’). Inmiddels zijn zaden zoals erwten en het wederopstandingsplantje Craterostigma plantagineum de modelsystemen. ‘Iedereen koopt wel eens zaden in de winkel, maar slechts weinig mensen realiseren zich dat ze droog, maar tegelijkertijd springlevend zijn.’

Dat anhydrobiologie een vruchtbaar onderzoeksterrein vormt, bewijst Hoekstra’s promovendus ir. Julia Buitink, die binnenkort met elf publicaties, na vier jaar haar promotie-onderzoek zal afsluiten. ‘Suikerophoping vindt ook plaats in de cellen van zaden’, vertelt Buitink. ‘De suikers vervangen de watermoleculen in de cel, waardoor membranen en eiwitten intact blijven. Samen met eiwitten vormen ze op het moment dat de cel bijna droog is een glasachtige structuur. Een glas is een vaste stof zonder geordende kristalstructuur. Het is eigenlijk een solid liquid, een vaste vloeistof, waarin alle moleculen chaotisch door elkaar liggen.’

Dichter bij huis zijn zuurtjes een voorbeeld van een glas. In de cel zorgt het glas voor een hoge viscositeit. Allerlei moleculen en enzymen raken daardoor. ‘Moleculen in een saccharoseglas bewegen heel langzaam, ongeveer dertig micrometer per honderd jaar. Ter vergelijking: de vloeibaarheid van water is ongeveer tien meter per seconde’, aldus Buitink.

Rotatiesnelheid

Hoekstra: ‘Dat betekent ook dat allerlei radicalen, die onderdelen van de cel kunnen beschadigen, geen kant op kunnen. Dat zie je heel duidelijk als je visolie in een suikerglas opsluit. De olie wordt dan niet ranzig.’

Buitink heeft uitgebreid gemeten aan de beweeglijkheid van stoffen in de glasstructuur. ‘Je kunt je afvragen waarom sommige zaden snel doodgaan, terwijl andere jaren overleven. Het was al langer duidelijk dat het watergehalte en temperatuur daar op van invloed zijn en dat de glasstructuur van belang is.’

Met zogeheten spin probes onderzocht Buitink de invloed van watergehalte en temperatuur op de moleculaire beweeglijkheid in cellen van zaden. De rotatiesnelheid van de spin probe wordt gemeten met elektron paramagnetische resonantie (EPR). De rotatiesnelheid van de probe in de cellen van de zaden is dan een maat voor de stroperigheid van het biologische glas. Hoe taaier het glas, des te geringer is de beweeglijkheid van de probe.

Omdat de verandering in levensvatbaarheid van zaden bij een lage temperatuur pas na zeer lange tijd is te meten, onderzocht Buitink deze processen 35 en 65 graden Celcius. ‘Voor alle zaden bleek er een lineair verband te bestaan tussen de beweeglijkheid van de spin probe in de cellen en de levensduur van de cellen. Dat is eigenlijk heel logisch, want hoe beweeglijker de moleculen in het glas, des te sneller verloopt de veroudering.’

Duizend jaar kiemkrachtig

De verbanden die Buitink vond bij hoge temperaturen, extrapoleerde ze terug naar lagere temperaturen. Neem erwten. Die overleven bij kamertemperatuur naar schatting drie tot vijftig jaar, afhankelijk van het watergehalte. Maar bij nul graden celcius, zo voorspelt het onderzoek, tussen de 250 en 2466 jaar. Die getallen lijken onwaarschijnlijk, maar er zijn goed gedocumenteerde gevallen van zaden, die op basis van koolstofdatering ruim duizend jaar oud moeten zijn, en nog steeds kiemkrachtig blijken.

Bij het watergehalte zag Buitink echter iets anders. ‘Vroeger was de gedachte, hoe droger de zaden, hoe beter. Maar wat blijkt: als je het laatste water weghaalt, gaan zaden eerder dood. Onderzoek met de spin probe methode laat zien dat de moleculaire beweeglijkheid dan juist toeneemt. Dat laatste beetje vocht, het structurele water, heb je dus nodig.’

Het onderzoek van de Wageningers werpt een ander licht op de opslagprotocollen van zaadbanken, die in hun streven biodiversiteit te bewaren, grote collecties plantenzaden aanleggen. ‘De meeste protocollen schrijven een watergehalte van vijf procent voor, bij een bewaartemperatuur van achttien graden onder nul. Uit onze experimenten blijkt dat een watergehalte van twaalf procent beter is bij deze temperatuur. Een overleving van 20.000 jaar is dan in theorie mogelijk.’

Ondanks deze resultaten is er nog geen revolutie ontstaan over de manier waarop zaden worden gearchiveerd. ‘De zaden blijven onder de huidige condities waarschijnlijk al meer dan een mensenleven goed. Het onderzoek laat alleen zien dat het nog veel langer kan’, zegt Hoekstra.

De Wageningers hebben met hun onderzoek veel meer inzicht gekregen in de relatie tussen glasstructuur en biologische functie. Inmiddels is ook duidelijk dat suiker alleen niet de verklaring kan geven voor lange overleving in een droge toestand. Amerikaanse onderzoekers toonden onlangs dat als menselijke cellen de suiker trehalose aanmaken, ze vijf dagen kunnen overleven zonder een spoortje water.

Om dat te bereiken brachten de onderzoekers twee bacteriële genen in de cellen die zorgen voor synthese van trehalose. Een knap resultaat, maar vijf dagen is niet in de verste verte te vergelijken met de jaren die een beerdiertje (Tardigrada) of eieren van een pekelkreeftje in droge toestand kunnen doorbrengen, of de enorme veerkracht van planten als Craterostigma.

Dit artikel is een publicatie van Bionieuws.
© Bionieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 april 2000
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.