‘Nieuwe levensvorm’ geeft antwoord op vraag over evolutie cellen

De Bacteriën en Archaea vormen twee van de drie domeinen van het leven, naast de Eurkaryoten. Beide moeten zijn geëvolueerd uit een gemeenschappelijke voorouder, LUCA (Last Universal Common Ancestor). Eén hypothese is dat dit gebeurde omdat de celmembraan van LUCA bestond uit een instabiel mengsel van lipiden. Wetenschappers van de RUG en de Wageningen Universiteit hebben nu een cel gemaakt die zo’n gemengde membraan bezit. Maar deze nieuwe levensvorm blijkt zeer stabiel te zijn, dus de hypothese lijkt niet juist. De resultaten zijn op 19 maart gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Er zijn allerlei ideeën over hoe de eerste cellen miljarden jaren geleden zijn ontstaan. Mogelijk hebben zich protocellen gevormd in klein mineraal, of als eenvoudige vetblaasjes. In dit laatste scenario moet er ooit een ‘lipidenscheiding’ zijn opgetreden die leidde tot het ontstaan van de aparte domeinen van Archaea en Bacteriën, vertelt RUG hoogleraar Moleculaire Microbiologie Arnold Driesssen. ‘De lipiden in beide celmembranen verschillen, ze bestaan uit fosfolipiden die elkaars spiegelbeeld zijn.’

In technische termen: de lipiden in de membraan van bacteriën bestaan uit rechte vetzuurketens die via een esterbinding aan een ‘skelet’ van glycerol-3-fosfaat zitten. Maar de lipiden van archaea membranen hebben een skelet van glycerol-1-fosfaat, waar isoprenoïden aan zijn gekoppeld via een etherbinding.

Voorouder

Het idee achter de lipidenscheiding is dat de gemeenschappelijke voorouder van bacteriën en archaea een celmembraan bezat met beide typen lipiden. ‘Die gemengde membraan zou minder stabiel zijn dan een homogene membraan met maar één type fosfolipide, dus uiteindelijk zorgde dat voor een splitsing in de twee domeinen’, zegt Driessen.

Omdat dit zo’n 3,5 miljard jaar geleden gebeurt moet zijn is er niet echt hard bewijs te vinden voor deze splitsing. Daarom besloten Driessen en zijn collega’s om via ‘reverse engineering’ en micro-organisme te maken met een gemengde celmembraan. ‘Dat is eerder geprobeerd, maar die experimenten leverden een bacterie op met een zeer kleine hoeveelheid archaea-lipiden, minder dan 1 procent.’

De nieuwe poging krikte dat echter op naar maar liefst 30 procent. Twee belangrijke doorbraken maakten dit mogelijk, vertelt Driessen: ‘Wij hebben recent een enzym ontdekt dat cruciaal is voor de vorming van membraan lipiden in archaea. Dat verloopt in drie stappen en eerder kenden we maar twee van de enzymen die er bij betrokken zijn.’ De andere doorbraak komt van wetenschappers van de Wageningen Universiteit. ‘Zij slaagden erin de productie van isoprenoïden in de bacterie E. coli te verhogen.’ Die isoprenoïden zijn een klasse organische moleculen die zorgen voor een groot aantal natuurlijke smaken, kleuren en geuren, maar ook cruciale componenten van de archaea lipiden.

Levensvatbaar

Beide ontdekkingen zijn gecombineerd in een gewone E. coli bacterie, wat op zich een complex staaltje genetische modificatie was. ‘En we wisten van tevoren niet of dit een levensvatbare cel zou opleveren’, zegt Driessen. Maar dat bleek wel zo te zijn. Met wat fine tuning produceerden de wetenschappers een cel waarin alle fosfatidylglycerol, de lipiden die de basis vormen van de dubbellaags bacteriemembraan, zijn vervangen door het archaea-equivalent (archaetidylglycerol). Dat was goed voor 30 procent van de membraanlipiden. ‘De bacterie groeide met een normale snelheid en was stabiel’, vertelt Driessen. ‘Daarmee geeft dit experiment geen steun voor de hypothese dat een gemengde membraan instabiel is en daarom zorgde voor de lipidenscheiding.’

Driessen merkt op dat bij archaea de enzymen voor de productie van membraanlipiden minder specifiek zijn dan die van bacteriën. ‘Ze zijn een beetje meer “oer”. Dus de evolutie van specifiekere enzymen kan de drijvende kracht zijn achter de splitsing tussen die domeinen.’ Maar we moeten voorzichtig zijn bij het interpreteren van het experiment, benadrukt hij. Uiteindelijk vond dat plaats in een moderne bacterie die sinds de splitsing met de archaea al 3,5 miljard jaar is door geëvolueerd.

‘Het verbaasde ons wel hoe robuust de gemengde cellen waren. We hadden meer problemen verwacht. Want uiteindelijk hebben we toch een totaal nieuwe vorm van leven gemaakt.’ De gemodificeerde cellen waren wel iets langer dan de originele E. coli. En wanneer de productie van archae-lipiden erg hoog was, vertraagde de groei en kwamen er uitstulpingen aan de celmembraan.

Temperatuur

Los van de implicaties voor evolutie levert dit onderzoek nog andere nieuwe ideeën op: ‘We zouden bijvoorbeeld een bacterie kunnen maken die eiwitten van archaea produceert, bijvoorbeeld de eiwitten van extreem thermofiele archaea die groeien bij een zeer hoge druk en temperatuur.’

Het werk van de twee Nederlands universiteiten valt ook onder het Origins Center, een nationaal instituut dat zich richt op het onderzoeken van de oorsprong van leven op onze planeet. Het onderzoek is gefinancierd vanuit het BE-Basic programma.

Referentie: Antonella Caforio, Melvin Siliakus, Marten Exterkate, Samta Jain, Varsha Jumde, Ruben Andringa, Servé Kengen, Adriaan Minnaard, Arnold Driessen, John van der Oost: Converting Escherichia coli into an “archaebacterium” with a hybrid heterochiral membrane. Proceedings of the National Academy of Sciences, online 19 March 2018

Zie ook: Hoe archaea aan hun vetten komen