Betrapt! Een zeealg en een bacterie met een bijzondere eigenschap kwamen met elkaar in aanraking. Vervolgens nam de zeealg de bacterie in zich op, en begon die bacterie langzaam om te vormen tot een vast onderdeel van zichzelf, een zogeheten organel. Zo eigende de zeealg zich die bijzondere eigenschap van de bacterie toe. En kreeg daarmee een evolutionair voordeel. De omvorming van bacterie tot organel is nog steeds gaande.
Amerikaanse en Japanse onderzoekers beschrijven dit proces deze donderdag in Science. Het is voor het eerst dat een complexe eencellige (de zeealg) is gevonden die een organel bezit waarmee hij stikstof uit het water kan halen en omzetten in een bruikbare vorm. Deze zogeheten stikstoffixatie is een cruciaal proces voor het leven op aarde. Tot nog toe was het idee dat alleen eenvoudige eencelligen dat kunnen. Ze halen stikstof uit de lucht, of het water, en zetten het om in een vorm die andere organismen vervolgens kunnen opnemen. Stikstof is een belangrijke bouwstof voor planten en dieren, onder meer voor de aanmaak van eiwitten.
Ingedeeld in drie groepen
„Dit onderzoek is echt een prachtig verhaal”, reageert Corné Pieterse, hoogleraar plant-microbe-interacties aan de Universiteit Utrecht en niet betrokken bij de studie. Dat zegt ook Carlos Santana Molina, die als bio-informaticus werkt aan het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee. „Voor de evolutionaire biologie is dit echt cool.”
Het leven op aarde wordt grofweg ingedeeld in drie groepen: bacteriën, archaea en eukaryoten. Die laatste groep omvat de planten, dieren, schimmels en bepaalde eencelligen. Ze kenmerken zich doordat hun cellen een celkern hebben en gespecialiseerde onderdelen, de organellen. Een bekend voorbeeld zijn de mitochondriën, de energiefabriekjes van een cel.
„Mitochondriën waren ooit vrij levende bacteriën”, zegt Pieterse. Ze leefden in symbiose met primitieve eukaryotische cellen. Beide organismen evolueerden op een gegeven moment tot een enkele cel, waarbij de mitochondriën werden omgevormd tot organel. „Die integratie startte zo’n 2,5 miljard jaar geleden”, zegt San-tana. Iets soortgelijks geldt voor chloroplasten, de bladgroenkorrels in plantencellen die zonne-energie vastleggen en CO2 omzetten in koolstofbronnen voor de plant. Het nu in Science beschreven organel is het derde voorbeeld van een bacterie die is opgenomen door een eukaryoot, en omgevormd tot organel. En het is het eerste voorbeeld van een eukaryoot die aan stikstoffixatie doet. De auteurs noemen het organel ‘de nitroplast’. „We schatten dat het proces van omvorming zo’n honderd miljoen jaar geleden is begonnen”, zegt Jonathan Zehr, coördinerend auteur van de studie.
Dat de opgenomen bacterie al zover is omgevormd dat je mag spreken van een organel, concluderen de onderzoekers op basis van een aantal waarnemingen. De bacterie heeft, vergeleken met zijn nog vrij levende nauwste verwanten, al veel van zijn dna verloren. Daarnaast loopt de deling van de bacterie synchroon met de deling van de zeealg. Dat zijn belangrijke kenmerken om van een organel te mogen spreken. Santana is nog iets anders opgevallen. Sommige eiwitten van de zeealg die eerst dienstdeden in de plastiden – organellen waar speciale chemische verbindingen zoals pigmenten worden gemaakt – hebben een nieuwe bestemming gekregen en gaan nu naar de nitroplast.
De auteurs van de studie verwachten dat de omvorming van de nitroplast nog wel even doorgaat. „Mitochondriën en chloroplasten hebben nog veel meer van hun oorspronkelijke, eigen dna verloren”, zegt Zehr. „En we hebben nog geen uitwisseling van genen tussen nitroplast en gastheer kunnen identificeren.”
„Door de verdere evolutie van de zeealg en de nitroplast te volgen, kunnen we wellicht ook meer leren over de evolutie van organellen in z’n algemeen”, zegt Santana, die zelf onderzoek doet naar de vroege evolutie van het metabolisme van eukaryoten.
De zeealg (Braarudosphaera bigelowii) is tot nog toe alleen opgevist uit Japanse kustwateren, zegt Zehr. „Het kostte ons vele jaren om hem in het laboratorium gekweekt te krijgen.” Maar dna van de omgevormde bacterie is over de hele wereld aangetroffen. „Ook in Deense wateren.”
Pieterse zegt dat het onderzoek ook interessant is voor plantenveredelaars. „Ze proberen al jaren om de hele moleculaire machinerie voor stikstof fixatie uit bacteriën in planten in te bouwen.” Maar dat is nog niet gelukt. „Mogelijk levert de nitroplast nieuwe inzichten.”
