Je leest:

‘Speculeren is leuk, bewijs is beter’

‘Speculeren is leuk, bewijs is beter’

Interview met microbioloog Thijs Ettema over onze allervroegste voorouders

Auteur: | 30 augustus 2019

Hoe zag de oercel eruit waar wij uiteindelijk allemaal van afstammen? Microbioloog Thijs Ettema zoekt naar de puzzelstukjes om de stamboom van het leven compleet te maken.

Thijs Ettema studeerde biologie aan de Wageningen Universiteit en promoveerde daar ook in 2005. Hij was universitair hoofddocent aan de universiteit van Uppsala in Zweden en werd in januari 2019 benoemd tot hoogleraar microbiologie in Wageningen. Zijn onderzoek richt zich op de biodiversiteit van micro-organismen en op de evolutie van het vroegste leven.
Thijs Ettema, met toestemming

Van wie stam je af? Dat is voor veel mensen een heel intrigerende vraag en stambomen maken is dan ook een populaire hobby. Ook TV-programma’s waarin mensen op zoek gaan naar hun voorouders doen het goed. En als je tweehonderd jaar of nog meer terug kunt gaan in de tijd, dan is dat al een behoorlijke prestatie.

Zet dat eens af tegen de stambomen die Thijs Ettema, hoogleraar microbiologie aan Wageningen Universiteit, opstelt. Hij kijkt niet een paar honderd, maar een paar miljard jaar terug. Hij kijkt vooral naar de afstamming van de eukaryoten, dat zijn alle levensvormen met een celkern (eencelligen zoals algen en gist, maar ook alle planten, dieren en wijzelf) vanuit de oudere prokaryoten (levensvormen zonder celkern: de bacteriën en de archaea). NEMO Kennislink sprak Ettema over de stamboom die teruggaat tot vroegste leven.

De stamboom van al het leven op aarde is nauwelijks in een plaatje te vatten. Waar in die wirwar van vertakkingen moeten we jouw onderzoek plaatsen?

“Wij onderzoeken de relatie tussen eukaryoten en de andere domeinen van het leven, de bacteriën en de archaea. Mijn onderzoek concentreert zich op de verwantschap tussen archaea en eukaryoten en op de gemeenschappelijke voorouder van die twee.”

Dus volgens jou zijn archaea en eukaryoten vertakkingen vanuit een gemeenschappelijk punt in de stamboom? En de bacteriën dan?

De stamboom van het leven. Rechtsonder, aangegeven met de pijl, is de vertakking te zien tussen de eukaryoten (Eukarya) en archaea. Dit is het gebied waar Thijs Ettema zich op concentreert. Klik op het plaatje voor een grotere versie.

“In de 19e eeuw werd ontdekt dat sommige levensvormen een celkern hebben en anderen niet. Vanaf toen werd het leven opgedeeld in twee domeinen. Er waren eukaryoten met een celkern en prokaryoten zonder celkern ofwel de bacteriën. Dat laatste werd eind jaren 70 van de vorige eeuw compleet op z’n kop gezet door Carl Woese, mijn wetenschappelijke held. Terwijl vrijwel niemand in hem geloofde, slaagde hij erin om aan te tonen dat er binnen de prokaryoten nog een levensvorm bestond naast bacteriën. Ook eencelligen zonder celkern, maar met echt andere kenmerken. Die noemde hij de archaea.

Toen bleken er opeens niet twee, maar drie domeinen in het leven te zijn. Al vrij snel werd door een enkele wetenschapper geopperd dat de archaea kenmerken van eukaryoten hadden. Inmiddels zijn we terug bij twee domeinen, omdat de heersende opvatting nu is dat de eukaryoten vanuit de archaea zijn ontstaan. We zien duidelijk genetische verwantschap tussen bepaalde groepen archaea en eukaryoten. We weten ook dat eukaryoten zijn ontstaan door een symbiose [samengaan, red.] tussen een archaeale cel en een bacterie. De grote vraag is nu hoe die archaeavoorloper eruitzag die heeft geleid tot het ontstaan van de eukaryoten."

Waar kijk je naar om de verwantschap tussen organismen aan te tonen?

“Dat was voor micro-organismen lange tijd heel lastig. Als je botten hebt of fossielen van organismen die miljoenen jaren geleden leefden, dan heb je iets om met elkaar te vergelijken. Van micro-organismen hebben we nagenoeg geen fossielen en bovendien lijken ze uiterlijk heel sterk op elkaar. Ze verschillen soms iets in vorm of kleur, maar daar kom je niet ver mee. Pas toen het mogelijk werd om op grote schaal DNA te sequensen [‘af te lezen’, red.] en bovendien zonder dat je de organismen eerst in het lab hoeft te kweken, konden we echt naar verschillen en verwantschap gaan kijken. Dat zijn vrij recente ontwikkelingen.”

Zijn de bacteriën eerder ontstaan dan de archaea of zijn die twee domeinen tegelijk van de stam gesplitst?

“Dat weten we niet. Er is ook veel discussie over de gemeenschappelijke voorouder waaruit zowel bacteriën als archaea zijn ontstaan, die wordt aangeduid als LUCA, de last common universal ancestor. Het is moeilijk om te zeggen wat LUCA was. Was het vooral een bacterie, vooral een archaeon, een combinatie van beide of leek het juist op geen van beide? We kunnen een aantal kenmerken afleiden die LUCA waarschijnlijk had, maar er wordt ook veel gespeculeerd. Dat is leuk, maar ik hou me liever vast aan bewijs op basis van genetisch onderzoek. Wat wel vaststaat is dat de eukaryoten beduidend later zijn ontstaan dan de prokaryoten.”

Een van de ‘schoorstenen’ van Loki’s Castle, een veld in de Noord-Atlantische Oceaan waar meerdere heetwaterbronnen vanuit de oceaanbodem naar boven komen. Deze schoorsteen is ongeveer 13 meter hoog: we zien de top. Foto gemaakt door een onbemand onderzoeksvaartuig tijdens de ontdekking in 2008.

In 2015 publiceerde je de ontdekking van de Lokiarchaeota of kortweg Loki’s. Het gaat om een nieuwe groep archaea die, volgens jullie, een gemeenschappelijke voorouder delen met de eukaryoten. Hoe kwam je op het spoor van die tot dan toe onbekende groep?

“Dankzij de opkomst van metagenomics, een techniek waarbij je uit een bodem- of watermonster gewoon al het DNA isoleert en onderzoekt, waren onder meer grote hoeveelheden nieuwe soorten archaea aangetoond in sedimenten uit de diepzee. Ik kwam in contact met een onderzoeker uit Noorwegen die monsters had van de zeebodem in de buurt van Loki’s Castle. Dat is een plek in de Noord-Atlantische Oceaan met meerdere heetwaterbronnen vanuit de oceaanbodem. We besloten om het DNA uit die zeebodemmonsters in meer detail te bekijken. Toen kwamen we op het spoor van een nieuwe groep archaea en van genen die we alleen maar uit eukaryoten kenden, en die hoorden allemaal bij elkaar.”

Bij metagenomics studies weet je niet van welk organisme het geïsoleerde DNA afkomstig is. Hoe wisten jullie dat die genen bij een nieuwe groep archaea hoorden?

“Op basis van analyse van het 16S rRNA-gen, dat je gebruikt om soorten van elkaar te onderscheiden, wisten we dan 10 tot 15 procent van het DNA uit ons monster van die nieuwe archaea afkomstig moest zijn. Vervolgens zijn we al het DNA opnieuw aan elkaar gaan koppelen tot complete genomen. Toen bleek dat in het genoom van de nieuwe archaea de stukken met die onverwachte ‘eukaryote’ genen thuishoorden. Die genen konden niet van eukaryote organismen afkomstig zijn, want die hadden we niet gevonden in het monster. De nieuwe archaea hebben we de Lokiarchaeota genoemd, of kortweg Loki’s.”

Vanwege de vindplaats of ook als knipoog naar de Noorse goden?

“Beide. De god Loki staat bekend als een onruststoker en we wisten dat onze resultaten de boel zouden opschudden, dus dat vonden we wel passen. En ja, het is ook een goede marketingtruc geweest. De naam blijft hangen.”

Hier zien we een vergelijking tussen de eiwitten die de Loki’s maken en een heleboel andere organismen. Met behulp van bioinformatica technieken kun je alles ordenen en vergelijken en komen de overeenkomsten en verschillen tussen organismen naar voren. In dit geval bleken de Loki’s meerdere eiwitten te maken die eukaryote-organismen ook maken. Dat was nog niet eerder aangetoond.
Esther Thole voor NEMO Kennislink

Bij het analyseren van DNA gebruik je ook genomen van andere organismen ter vergelijking. Het maakt dus nogal uit welk vergelijkingsmateriaal je kiest. Hoe zeker kun je zijn?

“Ja, je moet een goede, representatieve set van verschillende bacteriën, archaea en eukaryoten hebben ter vergelijking. Destijds hebben we onze analyse op veel verschillende manieren gedaan en ook verschillende sets vergelijkingsmateriaal gebruikt om zeker te zijn van onze bevindingen en we kwamen steeds op hetzelfde resultaat uit. We zijn echt heel voorzichtig geweest, want als je stelt dat je een heel belangrijk puzzelstukje hebt gevonden waarmee je de eukaryoten direct aan archaea kunt koppelen, moet je wel heel zeker zijn van je zaak. Tegelijkertijd kan ik niet genoeg benadrukken dat dit soort analyses nooit zwart-wit zijn, en in evolutie-onderzoek hou je dat altijd. Je werkt in grijstinten.”

In een recent artikel in Nature, waarin jij ook aan het woord komt, kwam kritiek naar voren van een onderzoeker die niet overtuigd is van de plaats van de Loki’s in de evolutie van de eukaryoten.

“Het klinkt flauw, maar dat artikel geeft een vertekend beeld vind ik. Het lijkt nu alsof in het veld evenveel onderzoekers voor als tegen zijn en dat is niet zo. De critici vormen maar een heel kleine groep. Wij hebben juist veel positieve reacties ontvangen op onze grondige aanpak en onze resultaten.”

Als je denkt dat de Loki’s een gemeenschappelijke voorouder delen met de eukaryoten dan moeten ze minstens zo oud zijn als de eerste eukaryoten, ongeveer twee miljard jaar. Kun je iets zeggen over die leeftijd?

“Nee, niet echt. We weten wel dat de Asgard archaea, dat is de grotere familie waar de Loki’s bijhoren, heel oud zijn en ook ouder dan de eukaryoten. Maar het is nog onduidelijk hoe oud ze precies zijn.”

Maar je baseert je op de analyse van organismen die nu leven. Hoe representatief zijn de nu levende Loki’s voor de oerorganismen waar ze van afstammen? Hoe weet je dat zij niet in de afgelopen twee miljard jaar genen hebben uitgewisseld of andere veranderingen hebben ondergaan?

“De heersende hypothese is dat de eukaryoten zijn ontstaan uit het samengaan van een archaeale cel met een bacterie. Uit die symbiose zijn de eukaryoten voortgekomen, maar eenzelfde archaeale cel in de buurt, die niet met zo’n bacterie is samengegaan, is een archaeale cel gebleven. En het is niet gezegd dat de archaeale nakomelingen van die cel totaal verschillend zijn geworden van hun voorouder. Als een organisme onder dezelfde omstandigheden blijft leven, is verandering niet noodzakelijk. Het kan, maar het hoeft niet.”

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Vietnamees dwerghert blijkt toch niet verdwenen

Klimaatwetenschappen
Je bent niet (veel) sneller thuis nu de snelheid wordt verlaagd

Maatschappijwetenschappen
Kom jij nog wel uit je eigen filterbubbel?

Wat zijn je plannen voor de komende tijd?

“We willen onderzoeken of er nog meer groepen archaea zijn die verwant zijn aan de Loki’s, maar dat blijft een beetje herhalen van hetzelfde kunstje. Daarnaast willen we proberen of we deze archaea kunnen laten groeien in het lab. Dat kan nu nog niet, maar als dat lukt, kunnen we veel meer te weten komen of hoe deze cellen werken en hoe ze eruitzien. Leek die gemeenschappelijke voorouder al op de eukaryoten of zijn alle eukaryote kenmerken pas ontstaan na de symbiose met die bacterie? Ik ben overigens niet alleen geïnteresseerd in de archaea. Over de bacterie die terechtkwam in de archaea en zich ontwikkelde tot de mitochondriën die ook wij in onze cellen hebben, weten we ook nog heel weinig. Hoe kwam die symbiose tot stand en waarom? Wat was het voordeel? Waarschijnlijk zijn er veel meer van dit soort symbioses geweest, en misschien kunnen we daar nog sporen van vinden.”

Jullie vondst van de Loki’s kan je ook zien als een gelukkige voltreffer. De oceanen zijn groot en er is vast nog veel meer te vinden. Word je niet onzeker van het idee dat er nog zoveel is wat wellicht jouw verhaal weer op z’n kop zet?

“Nou, daar ben ik open over, er kan altijd iets ontdekt worden wat we nog helemaal niet kennen. Bovendien werk je vanuit wat je kent en al je technieken zijn daarop gebaseerd. Dus je moet je ogen openhouden, je kunt altijd iets missen.”

Bronnen:

A. Spang, J.H. Saw, S.L. Jørgensen, K. Zaremba-Niedzwiedzka, et al., Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes, Nature (2015), doi:10.1038/nature14447

T.M. Embley, T.A. Williams, Steps on the road to eukaryotes, Nature (2015)

K. Zaremba-Niedzwiedzka, E.F. Caceres, J.H. Saw, et al, Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity, Nature (2017), doi:10.1038/nature21031

A. Spang, T.J.G. Ettema, Microbial diversity: The tree of life comes of age, Nature Microbiology (2016), doi:10.1038/nmicrobiol.2016.56

L. Eme, A. Spang, J. Lombard, C.W. Stairs, T.J.G. Ettema, Archaea and the origin of eukaryotes, Nature Reviews Microbiology (2017), doi:10.1038/nrmicro.2017.133

T. Watson, The trickster microbes that are shaking up the tree of life, Nature (2019)

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 augustus 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.