Al het complexe leven stamt misschien af van één groep eencellige organismen, waarvan de moderne afstammelingen in de modder leven. Deze microben hebben ongewone eigenschappen die het misschien mogelijk hebben gemaakt om ingewikkeldere cellen te vormen – en uiteindelijk dieren en planten.
De micro-organismen heten Asgard-archaea, vernoemd naar de plaats waar volgens de Noorse mythologie de goden woonden. Voor het eerst hebben wetenschappers deze archaea geïsoleerd en laten groeien in het laboratorium.
In 2015 zijn de eerste Asgard-archaea beschreven, nadat hun DNA was gevonden in sedimenten op de zeebodem bij Antarctica. Biologen zagen meteen dat deze archaea kunnen helpen om een van de belangrijkste stappen van de evolutionaire geschiedenis te verklaren: het ontstaan van eukaryoten.
Bacteriën en archaea zijn de oudste levensvormen. Ze zijn allemaal eencellig en hebben simpele interne structuren. Daarentegen hebben eukaryoten veel grotere en ingewikkeldere cellen. Alle meercellige organismen, van mossen tot mensen, zijn eukaryoten. De vraag is nu: hoe zijn eukaryoten ontstaan?
Onze eencellige voorouders
De Asgard-archaea zijn een belangrijke schakel, omdat ze – hoewel het archaea zijn – veel genen hebben die voorheen alleen in eukaryoten zijn gevonden. Het lijkt er daarom op dat de Asgard-archaea van alle prokaryoten het meest verwant zijn aan eukaryoten. Dat zou betekenen dat de eukaryoten miljarden jaren geleden zijn geëvolueerd uit de Asgard-archaea.
Asgard-archaea komen meer voor dan onderzoekers aanvankelijk dachten. De verschillende groepen waar deze stam uit bestaat, dragen allemaal de namen van Noorse goden. Een belangrijke groep zijn bijvoorbeeld de Heimdallarchaeota, vernoemd naar de bewaker van Asgard die in de toekomst kan kijken. De meest recent gevonden groep bevindt zich in het kustsediment en is vernoemd naar de Noorse godin van de vruchtbare bodem: Gerdachaeota.
Het verband tussen de Asgard-archaea en de eukaryoten lijkt steeds duidelijker te worden. In december analyseerde Tom Williams van de Universiteit van Bristol met zijn team meer dan drieduizend genenfamilies in archaea en eukaryoten. Ze bevestigden hiermee dat de Asgard-archaea de meest verwante familieleden van de eukaryoten zijn, waarbij de Heimdallarchaeota het meest verwant zijn van allemaal.
Het is echter nog steeds niet duidelijk hoe de eukaryoten uit de Asgard-archaea zijn ontstaan.
Verstrikt in tentakels
Het belangrijkste onderdeel van een eukaryotische cel zijn waarschijnlijk de mitochondriën: worstvormige structuren die de cellen van energie voorzien. Ooit waren mitochondriën zelfstandige bacteriën, maar op een of andere manier zijn ze door de eukaryotische cel opgenomen.
De nieuw ontdekte en in het lab gegroeide stam van Asgard-archaea, Prometheoarcheum, laat doorschemeren hoe dit kan zijn gebeurd. Toen microbioloog Hiroyuki Imachi van het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology en zijn collega’s de cellen kweekten, vonden ze lange, tentakelachtige uitsteeksels. De microbe zag eruit als een geplette spin.
Het team denkt dat de Asgard-archaea samenwerkten met de bacteriën die later mitochondriën werden. Eerst leefden deze tussen de tentakels van de archaea, maar uiteindelijk zijn ze door de archaea opgenomen.
Miljarden jaren hetzelfde
Evolutionair bioloog Robert Robinson van de Okayama-universiteit in Japan versterkt deze hypothese met recent onderzoek. Samen met zijn team heeft hij ontdekt dat Asgard-archaea complexe mechanismen hebben voor het vormen en afbreken van een eiwit genaamd actine.
Dit was al voorspeld aan de hand van het DNA van de microben, maar Robinsons team heeft nu aangetoond hoe het systeem werkt. Het mechanisme werkt zelfs wanneer het wordt verplaatst naar menselijke cellen. Dit suggereert dat zelfs na vele miljarden jaren dit moleculaire mechanisme niet veel is veranderd – een resultaat dat Robinson ‘verbazingwekkend’ noemt.
Actine vormt een stevig netwerk van buizen binnenin de cellen. Om van vorm te kunnen veranderen, moeten Asgard-archaea dus hun buitenste membraan vervormen – wat ook nodig is om andere cellen op te nemen. Robinson zegt dat de Asgard-archaea de actine waarschijnlijk gebruiken om de uitsteeksels te laten groeien.
Cellen die andere cellen opslokken
‘Dit zijn mooie resultaten, maar ze verklaren niet alles’, zegt evolutionair microbioloog Purificación López-García van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS).
López-García zegt dat de buitenste membranen van eukaryoten lijken op die van bacteriën, niet van archaea – wat onlogisch is als eukaryoten voornamelijk afstammen van Asgard-archaea. Bovendien zijn veel eukaryotische genen afkomstig van bacteriën. Ze verwacht dat meer dan twee organismen hebben bijgedragen aan het ontstaan van eukaryoten.
Daarnaast heeft een Japanse groep recentelijk een bacterie beschreven die andere micro-organismen volledig kan opnemen. Voorheen dachten wetenschappers dat deze eigenschap alleen voorkwam bij eukaryoten.
‘We gaan ontdekken dat deze typen mechanismen meer wijdverspreid zijn dan we eerst dachten’, zegt López-García. In dat geval zijn de Asgard-archaea misschien maar één speler in een groter verhaal van hoe microben elkaar hebben opgeslokt tijdens het ontstaan van eukaryoten.
