Hoe archaea aan hun vetten komen

Op het eerste gezicht lijken bacteriën en archaea sterk op elkaar. Toch zijn er fundamentele verschillen tussen deze twee soorten prokaryoten (kernloze micro-organismen). Eén zo’n verschil is de samenstelling van de lipiden die hun celmembraan vormen. Dit roept de vraag op welke lipiden de membraan van de gemeenschappelijke voorouder van beide groepen had. RUG microbiologen hebben, samen met collega’s van de universiteit van Sichuan, China, een aanwijzing ontdekt hoe de evolutie voor een ‘scheiding van lipiden’ heeft gezorgd. De resultaten zijn op 29 september gepubliceerd in het tijdschrift Cell Research.

De archaea zijn prokaryoten die veelal leven in extreme milieus, zoals hete vulkanische bronnen op de zeebodem of zoutmeren. In eerste instantie werden ze geclassificeerd als primitieve bacteriën, de ‘archaebacteriën’. Maar in 1977 was duidelijk dat ze een apart domein van leven vormen en werden ze hernoemd tot Archaea, een derde domein naast de Bacteriën en Eukaryoten.

Maar de evolutionaire geschiedenis van de Archaea bleek ingewikkeld. Een aspect waar microbiologen zich het hoofd over breken is waarom de lipide-samenstelling van de celmembraan van Bacteriën en Archaea zo fundamenteel anders is. Beide hebben celmembranen van glycerol fosfaat fosfolipiden. Maar bacteriën maken ze van glycerol-1-fosfaat, terwijl archaea glycerol-3-fosfaat gebruiken. De fosfolipiden die zo ontstaan zijn elkaars spiegelbeeld. Bovendien hebben de waterafstotende staarten die aan het glycerol fosfaat zitten een andere chemische samenstelling.

Uniek

‘Bacteriën en Archaea produceren hun lipiden via routes die bijna gelijk zijn, maar waarin totaal verschillende enzymen gebruikt worden’, legt RUG-hoogleraar Moleculaire Microbiologie Arnold Driessen uit. Bij de eerste drie stappen in het productieproces, waarbij lange staarten worden gekoppeld aan de kop van het glycerol fosfaat, gebruiken Bacteriën en Archaea elk hun eigen, unieke enzymen. De enzymen die in vervolgstappen de lipiden verder aanpassen zijn gelijk in beide domeinen.

Driessen: ‘De eerste twee enzymen in deze hele route zijn al beschreven. Die lijken totaal niet verwant aan elkaar, hoewel ze dezelfde rol vervullen.’ Enige tijd geleden ontdekte de groep van Driessen het derde enzym bij de Archaea, CDP-archaeol synthase (CarS). Nu hebben ze, met hulp van de universiteit van Sichuan, de 3D structuur van dit enzym opgehelderd. ‘De aminozuurvolgoder is totaal anders dan die van het equivalente enzym bij bacteriën. Maar de structuur van beide enzymen vertoont wel overeenkomst, vooral op de plekken waar het substraat moet binden.’ Dit suggereert nauwe verwantschap tussen Bacteriën en Archaea.

Selectief

‘Ons idee is dat de gemeenschappelijke voorouder van Bacteriën en Archaea enzymen bezat die niet erg selectief waren’, legt Driessen uit. De celmembraan van die voorouder zal daarom zijn opgebouwd uit twee verschillende soorten lipiden, gebaseerd op zowel glycerol-1-fosfaat als glycerol-3-fosfaat. Nadat de splitsing in twee domeinen evolueerden de enzymen en kregen een grotere specificiteit, maar voor verschillende substraten. Het resultaat was dat beide domeinen homogene celmembranen kregen die van elkaar verschilden. ‘Dus de evolutie van meer specifiek werkende enzymen heeft uiteindelijk gezorgd voor de lipidenscheiding tussen Archaea en Bacteriën.’