In de wateren rond de eilandrepubliek Palau hebben Japanse onderzoekers voor het eerst een bacterie gevonden die in staat is om andere eencelligen in hun geheel op te slokken. Dat klinkt misschien niet wereldschokkend, maar voor veel microbiologen is het dat wel degelijk. Meerdere wetenschappers onthalen het nieuws als een van de belangrijkste ontdekkingen van het afgelopen decennium. “Dit is baanbrekend”, zegt Thijs Ettema, hoogleraar microbiologie aan Wageningen Universiteit. “Deze ontdekking heeft verstrekkende gevolgen voor de theorieën over de evolutie van het vroegste leven en het ontstaan van de eukaryoten.” Eukaryoten zijn levensvormen zoals gisten, algen, schimmels, planten en dieren, inclusief de mens (zie kader).
Prokaryoten en eukaryoten
De twee hoofdcategorieën in het leven op aarde zijn prokaryoten (bacteriën en archaea) en eukaryoten (al het andere leven, van gisten en algen tot schimmels, planten en dieren). Een belangrijk verschil tussen de twee groepen is dat in prokaryoten het DNA los in de cel ronddobbert, terwijl eukaryoten een celkern hebben waarin het DNA netjes is opgeborgen. De prokaryoten ontstonden het eerst, waarschijnlijk zo’n vier miljard jaar geleden. Door het samensmelten van een bacterie en een archaeon ontwikkelde zich ongeveer twee miljard jaar later een nieuwe klasse van leven: de eukaryoten. In de nieuwe cel bleef de opgenomen bacterie intact en ontwikkelde zich tot een mitochondrie, de energiecentrale van levende cellen. Een grote vraag is nog hoe de gastheercel waarin die bacterie werd opgenomen eruit zag en in hoeverre die cel al overeenkomsten had met de latere eukaryoten.
_(small_islands_magnified).svg){kind=link}
Het baanbrekende karakter van deze bijzondere bacteriële vondst heeft te maken met de energie die nodig is om complete cellen op te nemen. Dit proces heet in wetenschappelijke termen fagocytose en slurpt energie. Ettema: “Omdat alleen eukaryoten beschikken over energiecentrales in hun cellen, de mitochondriën, was het altijd de aanname dat alleen eukaryoten dit kunnen doen. Nu blijkt dat een bacterie, zonder zo’n energievoorziening, het ook kan.” Dit werpt nieuw licht op de eigenschappen waar de voorlopers van de eukaryoten, en dus van ons, mogelijk al over beschikten.
Onafhankelijk ontwikkeld
Niet alleen kan de nieuwe bacterie iets wat niemand had verwacht, de bacterie blijkt het ook nog eens op een heel eigen manier te doen. De onderzoekers hebben het genoom van de bacterie, dat is het complete DNA, in kaart gebracht en dat laat zien dat het niet om dezelfde genen gaat als die eukaryoten hiervoor gebruiken.
Maar het is bekend dat micro-organismen genetisch materiaal kunnen uitwisselen. De bacterie heeft deze genen dus niet van een ander organisme ‘gekregen’? “Nee, het zijn andere genen”, aldus Ettema. “Bovendien zijn in eukaryoten duizenden genen betrokken bij fagocytose, zo’n pakket wissel je niet zomaar even uit.” Het vermogen tot fagocytose heeft de nieuwe bacterie onafhankelijk ontwikkeld en dat wijst erop dat er meerdere manieren zijn om dit proces uit te voeren. Van een exclusieve eigenschap van eukaryoten is daarom geen sprake (meer).
Maar hoe zit het dan met dat hoge energieverbruik? Want als je veel energie nodig hebt om een complete cel op te slokken, hoe kan dit mechanisme dan miljarden jaren geleden zijn ontstaan in vroege levensvormen die niet over een krachtige energievoorziening beschikten? Het zal een stapsgewijs proces zijn geweest, vermoedt Ettema.
Hij denkt dat dit mechanisme niet is ontstaan om meteen complete cellen op te nemen. Het is waarschijnlijk begonnen met het vermogen om kleine voedseldeeltjes uit de omgeving naar binnen te werken. “We weten dat het voor eencelligen zoals bacteriën en archaea heel gewoon is om dichtbij elkaar te liggen, zeker als ze onderling voedingsstoffen uitwisselen wat veel voorkomt in bepaalde leefomgevingen. Je kunt je voorstellen dat het voor die eencelligen dan heel gunstig is om zo efficiënt mogelijk contact te maken en als je wat flexibeler bent, kun je beter elkaar ‘omarmen’ en om elkaar heen vouwen. Dit kan stapsgewijs verder zijn gegaan totdat twee cellen een keer helemaal zijn samengesmolten. Maar dat blijft speculeren, we hebben nu geen helderheid over wat er ooit precies is gebeurd. De vondst van deze nieuwe bacterie opent echter wel ieders ogen en we kunnen er nu weer anders over nadenken.”
Niet zo gek
Een punt dat meteen Ettema’s aandacht trok in relatie tot zijn eigen onderzoek was de aanwezigheid van een actine-gen in het DNA van de nieuwe bacterie. Actine is een eiwit dat in eukaryote cellen een rol speelt bij beweging van de cel. Het is onderdeel van het cytoskelet dat de cel stevigheid en flexibiliteit geeft. Ook van actines werd lange tijd gedacht dat ze alleen in eukaryoten te vinden waren. Ettema’s eigen onderzoek had eerder al aangetoond dat een door hem ontdekte groep archaea, de zogeheten Asgard archaea, ook over actine-achtige genen beschikken. “Het actine-gen van deze bacterie lijkt verwant aan de actine-genen die wij in de Asgard archaea hebben gevonden. We hebben nu nog te weinig gegevens om te concluderen dat dit actine-gen een rol speelt bij het fagocytose proces in de bacterie, maar voor mij betekent dit dat het misschien toch niet zo’n gekke aanname was toen wij destijds voorzichtig opperden dat de Asgard archaea wellicht ook mechanismen hadden om cellen op te nemen.”
Die suggestie kwam hem destijds op hevige kritiek te staan, omdat bacteriën en archaea niet in staat zouden zijn tot zo’n proces vanwege het ontbreken van een eigen energievoorziening. “Maar nu er een bacterie blijkt te bestaan die het wel kan, vervallen die argumenten. Daarmee wil ik overigens niet beweren dat de Asgard archaea dit ook kunnen, dat weten we nog niet, maar die mogelijkheid is hiermee wel aannemelijker geworden.”
In plaats van speculeren over wat er miljarden jaren geleden wel en niet is gebeurd, moeten we volgens Ettema eerst tot in detail uitzoeken welke genen in de nieuwe bacterie precies betrokken zijn bij het fagocytose proces. De volgende stap is dan te kijken of je die genen ook in andere organismen aantreft. “We kunnen zeker niet uitsluiten dat er nog meer eencelligen zijn die dit kunnen. En die het misschien ook weer op een eigen, onafhankelijke manier hebben ontwikkeld.” De impact van het Japanse onderzoek is in ieder geval moeilijk te overschatten, aldus Ettema. “Volgens sommigen is het de belangrijkste ontdekking in jaren en dat vind ik ook. Echt een ontdekking uit het niets, waarvoor ze heel overtuigend bewijs laten zien. Wat mij betreft is dit op de valreep nog de publicatie van het jaar.”
Bron:
Takishi Shiratori, Shigekatsu Suzuki, Yukako Kakizawa, Ken-ichiro Ishida, Phagocytosis-like cell engulfment by a planctomycete bacterium, Nature Communications (2019), doi:10.1038/s41467-019-13499-2