De bacteriële zweepstaart wordt wel het nieuwe oog van de Intelligent Design beweging genoemd: het voorbeeld bij uitstek van een complexe structuur waarvan het ontstaan nog grotendeels van speculaties aan elkaar hangt. Bovendien zou het geheel zo complex zijn dat het onmogelijk door mutatie en selectie zou kunnen zijn ontstaan. Immers, als het uitvallen van een van de onderdelen al leidt tot een lamme zweepstaart, dan moeten alle onderdelen toch ooit tegelijk zijn samengebracht. Dit noemen sommigen ‘irreducible complexity’, een teken van ontwerp – enter the designer.

Tegenover de vraagtekens over het ontstaan staat tamelijk gedetailleerde kennis over de bouw en prestaties van dit eiwitcomplex. En, eerlijk is eerlijk, wie de specificaties van het flagel ziet, kan niet anders dan onder de indruk raken.

In het flagel zijn enkele honderden eiwitmoleculen zo geassembleerd dat er een zeer efficiënte elektrische motor ontstaat met een diameter van 45 nanometer. Per seconde draait de motor vijftig tot honderd maal rond zijn as. De flagel van 10 micrometer die aan de motor vastzit zorgt voor een zwiepende voorstuwing van de bacteriecel.

Protonen die de cel instromen – zo’n duizend per omwenteling – zorgen voor de aandrijving van de flagelmotor. De motor kan zelfs stoppen en van draairichting veranderen. Dat laatste stelt bijvoorbeeld E.coli in staat om afgaande op concentraties van voedingsstoffen in het milieu gunstiger omstandigheden op te zoeken. E.coli heeft vier tot zeven flagellen in zijn membraan, en als die dezelfde kant opzwiepen ontstaat een flagelkluwen die de cel voortstuwt.

Naaldstructuur

Er zijn zeker 50 eiwitten betrokken bij de regulatie, synthese en opbouw van een functioneel flagel. Daarvan zitten er naar schatting zeventien eiwitten in de motor en staart. Veel van die eiwitten zijn in veelvoud aanwezig. Ze vormen bijvoorbeeld ringvormige structuren van 26 of meer identieke eiwitmoleculen (L- en P-, MS-, en C-ring), en de staart die zelfs uit duizenden identieke eiwiteenheden bestaat.

Dit is meestal het punt waar aanhangers van Intelligent Design stoppen met de uitleg over het bacteriële flagel. In het recent verschenen boek ‘Schitterend ongeluk of sporen van ontwerp’ is de uitleg nog beknopter; de zweepstaartmotor lijkt vooral bedoeld om indruk te maken.

En dat terwijl er veel interessants te melden valt over recente wetenschappelijk doorbraken en langlopende discussies over het ontstaan van het flagel.

Het flagel is namelijk verwant met het type 3 secretiesysteem (T3SS) van gramnegatieve bacteriën. Het T3SS is een in de celwand verankerde naaldstructuur die eiwitten transporteert naar cellen van planten en dieren. Salmonella bijvoorbeeld gebruikt dat systeem om zogenaamde effectoreiwitten uit te scheiden die ervoor zorgen dat de bacterie kan overleven in dierlijke cellen. De moleculaire bouw van dat systeem lijkt opmerkelijk veel op de basis van de flagelmotor, toont elektronenmicroscopisch onderzoek van vorig jaar (Science 306: 1040).

De gelijkenis gaat nog verder: het flagel is zelf een secretiesysteem. De staart is namelijk opgebouwd uit duizenden flagelline-moleculen. Dit eiwit wordt via een eiwittransportcomplex in de holte van het flagel gepompt. Dit proces kost energie in de vorm van ATP.

In het aprilnummer van Nature Biotechnology (23 (4): 475) tonen onderzoekers aan dat het flagel een opmerkelijk efficiënt secretiesysteem is voor allerhande eiwitten. Ze verwijderden de genen die verantwoordelijk zijn voor de opbouw van de flagelstaart en lieten E.coli zo bijvoorbeeld Green Fluorescent Protein uitscheiden in het kweekmedium. De concentraties en zuiverheid zijn veel hoger dan gebruikelijk bij eiwitproductie door E.coli, stellen de auteurs.

Het flagel is dus niet zo ‘irreducible complex’ als aanhangers van Intelligent Design geregeld voordoen. Verlies van belangrijke onderdelen van het flagel leidt niet tot een totaal verlies van functionaliteit. Maar men moet wel alle functies van het flagel in ogenschouw willen nemen.

Voorouder

Het bacteriële flagel is kortom een motor én een secretor. Die combinatie is voor biologen al langer reden voor dis-cussie over de oorsprong van het flagel. De overeenkomsten in aminozuurvolgorde van de subunits in het hart van de flagelmotor en het T3SS wijzen op evolutionaire verwantschap.

Sommige onderzoekers concluderen op basis van uitgebreide sequentie-analyse en moleculaire fylogenie dat het flagel en het T3SS een gemeenschappelijke voorouder delen, maar dat ze honderden miljoenen jaren lang onafhankelijk van elkaar zijn geëvolueerd (Gene 312 (2003): 151). Ook wijzen de onderzoekers op sporen van horizonale genoverdracht – uitwisseling van stukken erfelijk materiaal – tussen bacteriesoorten als een belangrijke factor in de evolutie van het flagel en het T3SS.

Anderen betwijfelen die hypothese en vinden het plausibeler dat het eenvoudiger T3SS is ontstaan uit het complexere flagel door het verlies van de rotorfunctie. Maar ook het idee dat het flagel in rechte lijn uit een T3SS is geëvolueerd staat overeind. Op dit moment zijn er dus drie concurrerende hypotheses, maar, zoals een onderzoeker het stelt: ‘At present, too little information is available to distinguish between these possibilities with certainty.’ (Trends in Microbiology 12 (3) (2004): 113)

Deze ruimte voor uiteenlopende verklaringen heeft met name de Amerikaanse biochemicus Michael Behe geïnspireerd om het flagel op te voeren als het voorbeeld van structuur die sporen vertoont van Intelligent Design. Ook het Nederlandse ID-boek baseert zich op zijn betoog.

Wie echter de structurele en functionele overeenkomsten tussen het flagel en het T3SS naast elkaar zet, kan eenvoudiger, plausibeler verklaringsmodellen opstellen. Daarin speelt bijvoorbeeld een op het T3SS lijkend vooroudercomplex een rol, dat door het verkrijgen van nieuwe functies tot een motiliteitssysteem evolueerde.

Deze maand is nog een ander bouw-steentje aan het beeld van het flagel toegevoegd: het organel speelt een belangrijke rol als externe vochtigheidssensor (EMBO J. 24 (11): 2043). Mogelijkerwijs begon een onbeweeglijk flagel ooit als watersensor, en verkreeg het later een zweepstaartfunctie. Er is dus, naast secretie en rotatie weer een functie voor het flagel bijgekomen.

Het onderzoek aan het bacteriële flagel heeft al veel meer basis gegeven voor op empirie gefundeerde hypotheses dan de voorstanders van Intelligent Design tot nu toe hebben aangedragen. Het evolutionair onderzoek aan genomen, secretiemechanismen en flagellen maakt het kennisgat en speelveld voor ID geleidelijk kleiner. Wellicht wordt het tijd voor ID-ers om op zoek te gaan naar een biologische structuur waar wat minder over bekend is.

Bronnen

Berg, H.C. (2003) The rotary motor of bacterial flagella. Annu. Rev. Biochem. 72: 19-54. Blocker et al (2003) Type III secretion systems and bacterial flagella: insights into their function from structural similarities. PNAS 100 (6): 3027. Tampakaki, A.P. (2004) Conserved features of type III secretion. Cellular Microbiology 6 (9): 805-816

Bezoek de website van Bionieuws