Archaebacteria – ofwel oerbacteriën. De term rolde heerlijk op de tong. Hij wekte associaties op met zoutmeren, diepzeetroggen en borrelende zwavelbronnen. Met de diepste wortels van het leven op aarde. Met de meest basale celvorm, waaraan al het leven zou zijn ontsproten.
Maar dat bleek allemaal niet te kloppen, al decennia geleden – hoewel de schoolboeken er nog lang aan bleven vasthouden. Deze organismen, nu kortweg archaea genoemd, lijken weliswaar uiterlijk op bacteriën, maar zijn nauwer verwant aan eukaryoten. Dat zijn de organismen die zijn opgebouwd uit complexere cellen met een celkern, van amoebe tot mos en vliegenzwam, van fruitvlieg tot eik en mens.
In recente jaren bleken archaea niet alleen te leven in extreme milieus. Ze gedijen ook volop in mariene sedimenten, in moerassen en meren, in de bodem – en in onze lichamen. En hoewel ze al vier miljard jaar geleden zijn afgesplitst van de rest en vervolgens apart verder evolueerden, hebben ze sindsdien voortdurend genen uitgewisseld met bacteriën. Ze maakten zelfs halverwege de ‘stamboom van het leven’, zo’n twee miljard jaar geleden, een dwarsverbinding met de loot van de bacteriën. Eén specifieke groep archaea nam namelijk bacteriën in zich op en vormde daarmee een geheel nieuw celtype. Dat werd de basis van die derde loot: de eukaryoten.
Overal op aarde
Deze endosymbiose, het permanent samengaan van twee levensvormen, is al langer bekend, maar de sleutelrol van die ene groep archaea die daaraan bijdroeg is nieuw. En nazaten van die groep bestaan nog steeds, diep in de noordelijke Atlantische Oceaan.
„De laatste tien jaar is dit veld in een stroomversnelling gekomen”, vertelt Anja Spang, onderzoeksleider bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) op Texel en hoogleraar symbioses in evolution aan de Universiteit van Amsterdam. Op 9 februari sprak de van oorsprong Duitse biologe haar oratie uit in de Oude Lutherse kerk in Amsterdam.
„Het onderzoek aan archaea was vroeger beperkt tot de soorten die je in het lab kunt kweken”, vertelt Spang. „Maar dat lukt maar met een fractie van de archaea in de natuur. Tegenwoordig kunnen we archaea ook rechtstreeks vanuit monsters bestuderen, met genetische en moleculaire technieken, dus zonder ze te kweken. Ze blijken overal te zitten. Ook in en op het menselijk lichaam.”
Dankzij die nieuwe technieken kunnen biologen nu ook onderzoeken wat al die archaea eigenlijk dóén, op al die plekken. Ze blijken bijvoorbeeld een belangrijke rol te spelen in de cycli van stikstof, zwavel en koolstof. Ze produceren broeikasgassen zoals methaan en drukken een stempel op microbiële evenwichten.
En met hun wonderlijke combinatie van bacteriële en eukaryote eigenschappen werpen ze nieuw licht op de oorsprong van meercellig leven. „Als postdoc werkte ik samen met een Nederlandse hoogleraar in Zweden, Thijs Ettema”, vertelt Spang. „We bestudeerden sedimenten afkomstig van het Kasteel van Loki, een fantastische verzameling heetwaterbronnen die in 2005 is ontdekt op de diepzeebodem tussen IJsland en Spitsbergen. We vonden daar een nog geheel onbekende groep archaea.”
Het ging om een groep die buiten de bekende stamboom viel. Het waren zonder twijfel archaea, maar ze vertoonden toch opmerkelijke overeenkomsten met eukaryote cellen. Bijvoorbeeld eiwitten die zeer sterk lijken op die van ons cytoskelet: de structuur die onze cellen stevigheid verleent en die onmisbaar is voor veel eukaryote celprocessen. Met deze eiwitten blijken ze lange tentakels te kunnen maken. Het zijn allemaal kenmerken die ontbreken bij zowel bacteriën als andere archaea.
Oer-eukaryoot
Spang en Ettema noemden hun nieuwe groep de Asgard-archaea, met een knipoog naar de naam van de vindplaats. Loki is een Oudnoorse god; Asgard is de godenwereld in de Oudnoorse mythologie. Ook de subgroepen kregen namen in die sfeer: Thor-, Odin-, Heimdall- en Loki-archaea. „Hun opmerkelijke eukaryote kenmerken zetten ons aan het denken”, vervolgt Spang. „Het was echt een verrassende ontdekking. Zouden deze archaea wellicht nazaten zijn van de voorouder waarnaar we op zoek waren? De archaea die een endosymbiose aangingen met bacteriën, en daarmee aan de basis stonden van de eukaryoten?”
Het leverde Spang, Ettema en collega’s twee smaakmakende artikelen op in Nature, in 2015 en 2017. Met name de subgroep van de Heimdall-archaea bleek evolutionair gezien interessant. Hun eigenschappen vormden bij het samengaan met bacteriën „een rijke genetische ‘starterkit’ voor de toename van de cellulaire en genetische complexiteit die kenmerkend is voor eukaryoten”, schreven de biologen in Nature.
Dat klinkt nu ronkend en prachtig, maar daarmee begon de zoektocht pas echt, benadrukt Spang. „Want waar dienen al die eiwitten voor, in de archaea? Leven er ergens wellicht nog meer Asgard-groepen, die nog dichter bij die ‘oer-eukaryoot’ liggen? Hoe zagen hun interacties met bacteriën eruit, en waarom fuseerden ze eigenlijk?”
Om die vragen te beantwoorden, bemonsteren de biologen nu allerlei plekken op aarde met de nieuwe genoomtechnieken. „Dat levert een berg op van ontelbaar veel losse puzzelstukjes. En dan niet van slechts één puzzel, maar van miljoenen puzzels die door elkaar heen liggen.”
De volgende stap is het kweken van de soorten en het onderzoeken van hun celbiologie – en dus de rol van al die eiwitten. Maar juist dat kweken kan met veel archaea nog niet. In zulke gevallen proberen wetenschappers vaak de interessante genen te isoleren en te onderzoeken, bijvoorbeeld door ze in te bouwen in modelorganismen, zoals E. coli. Maar dat is een bacterie – dus fundamenteel anders dan archaea. „Dat is een van de redenen waarom daar nog zo weinig onderzoek naar is gedaan”, vertelt Spang. „Veruit het meeste microbiologische onderzoek richt zich op bacteriën en virussen, en eencellige eukaryoten zoals gist. Terwijl archaea in veel milieus een heel belangrijke rol spelen.”
Collega Thijs Ettema keerde terug naar Nederland, naar Wageningen, waar hij nu verder werkt aan de Asgard-archaea. „Sinds die eerste ontdekking in 2015 hebben we nog héél veel meer genetisch materiaal gesequencet, uit allerlei milieus”, vertelt hij. „Bijvoorbeeld uit warme bronnen op IJsland, Yellowstone en Nieuw-Zeeland – maar ook uit een meertje hier op de campus in Wageningen. Overal vinden we weer nieuwe groepen Asgard-archaea, waardoor de stamboom, en de positie van de eukaryoten daarin, steeds weer een beetje verandert.”
De stap van de Asgard-archaea naar de ‘laatste gemeenschappelijke voorouder’ van alle eukaryoten is nog steeds vrij groot, merkt Ettema op. „Asgards hebben bijvoorbeeld nog geen mitochondriën [die de energie voor een cel genereren]. Dus er zit in die stamboom nog een lange tak die de Asgards scheidt van de eukaryoten. Misschien is alles ertussenin wel uitgestorven – maar misschien leven er nu nog wel nauwere verwanten, die we simpelweg nog niet hebben gevonden.”
Die zoektocht gaat dus door, aldus de hoogleraar, die nog veel fundamentele vragen heeft: hoe heeft die endosymbiose precies plaatsgevonden? In welke volgorde vonden de stappen plaats – was er bijvoorbeeld al een celkern vóór de endosymbiose? „Ik verwacht dat we dat soort vragen sneller kunnen gaan beantwoorden nu we een aantal soorten kunnen kweken in het lab. Bijvoorbeeld de Loki-archaea met de inktvisachtige tentakels. Maar er zijn nog zo’n vijftien andere Asgardgroepen geïdentificeerd. Ik ben héél benieuwd hoe die eruitzien.”
Zuurstofloze milieus
Het lastige met dat kweken is dat Asgard-archaea heel langzaam groeien. Dat komt doordat ze zijn geëvolueerd in extreem voedingsarme, zuurstofloze milieus, zoals de diepzee. „Deze Loki-archaea doen er twee tot drie weken over om zich te verdubbelen”, zegt Ettema. „Bij E. coli is dat twintig minuten. Dat betekent dat je met deze archaea máánden bezig bent om genoeg materiaal te verzamelen voor experimenten. Daarvoor zijn we nu in Wageningen de infrastructuur aan het ontwikkelen.”
Anja Spang richt zich bij het NIOZ en in Amsterdam inmiddels op een andere recent ontdekte groep: de DPANN-archaea. Die vijfletter-afkorting staat voor de belangrijkste vertegenwoordigers van die groep: Diapherotrites, Parvarchaeota, etcetera. Veruit de meeste DPANN-archaea leven niet zelfstandig, maar als parasiet op andere archaea.
„Echt fascinerend”, zegt Spang. „We denken nu dat ze zich misschien al vroeg in de evolutie hebben afgesplitst van de andere archaea. Het merendeel leeft fundamenteel anders: ze hebben een gastheer nodig om te kunnen overleven. Net als virussen. Wellicht is hun rol wel vergelijkbaar.”
Waarom is het nu zinnig om al dit alles zo in detail te bestuderen? „We reconstrueren de diepste wortels van complexe cellen, inclusief onze eigen cellen”, antwoordt Spang. „We ontrafelen de functies van de eiwitten van deze archaea, hoe die zich verhouden tot de eiwitten van eukaryoten en wat hun rol in de omgeving is. We reconstrueren dus het verleden, maar bestuderen tegelijkertijd het heden.”
Bacteriedodende virussen
En dat is onder meer interessant, merkt Spang op, in de context van bijvoorbeeld nutriëntencycli, ziekten en klimaatverandering. „In al die processen zijn microben heel belangrijk. Maar je kunt hun gemeenschappen niet begrijpen als je een groot deel van de deelnemers niet kent. En neem nu die DPANN-archaea. Een soort die wij nu bestuderen, dringt zijn gastheercel binnen en laat die uit elkaar barsten. Daarbij komen de nutriënten weer vrij. Stel nu dat dit op heel grote schaal gebeurt, dan kun je je voorstellen dat het invloed heeft op de stroming van energie en voedingsstoffen.”
Ook in die zin lijken de DPANN-archaea veel weg te hebben van virussen – met name fagen, een groep bacteriedodende virussen. Naar schatting wordt elke dag tot wel 40 procent van alle mariene bacteriën gedood door deze fagen. En de ‘goede’ bacteriën in onze darmen maken voedingsstoffen vrij en beschermen ons tegen ziekteverwekkers.
Spang: „Het kan goed zijn dat zoiets ook geldt voor de archaea, in het milieu maar ook in ons lichaam. Maar we hebben werkelijk nog geen idee. Elk monster dat we nemen, geeft ons weer honderden onbekende genomen.”
