Op jacht naar de geboorte van de celkern

‘Vier miljard jaar geleden ontstond het eerste leven op aarde. Kleine, compacte bacteriële cellen, die je zou kunnen vergelijken met tentjes – simpel en doeltreffend.” Maar twee miljard jaar geleden gebeurde er nóg iets revolutionairs: uit dat eerste leven ontstonden de eukaryoten, onze verre voorouders, met veel complexere cellen. „Geen tentjes meer, maar huizen met meerdere kamers. Elk onderdeel, elke kamer heeft zijn eigen functie. De vraag is: hoe zijn die tentjes in kamers veranderd?”

Met bovenstaand voorbeeld deed Julian Vosseberg (29) tijdens zijn promotie aan de Universiteit Utrecht mee aan een pitchwedstrijd: in drie minuten moest hij zijn vijf jaar lange onderzoek verdedigen. Hij haalde er de finale mee – een indrukwekkende prestatie, want het ontstaan van complex leven is geen eenvoudig onderwerp.

Oesterzwammen

„Wat die gebeurtenis zo bijzonder maakt is dat het ontstaan van die complexe cellen maar één keer in de evolutie plaatsvond: alle eukaryoten hebben één gemeenschappelijke voorouder.” Orka’s, lelietjes-van-dalen en oesterzwammen, kortom álle dieren, planten en schimmels zijn het resultaat van die ene unieke gebeurtenis – het moment dat prokaryoten, cellen zonder celkern, evolueerden tot eukaryoten mét celkern. „Andere eigenschappen, zoals meercelligheid, zijn meerdere keren in de evolutie onafhankelijk van elkaar ontstaan, en in die zin dus minder uitzonderlijk.”

Niet alleen het hebben van een celkern is onderscheidend voor eukaryoten. Ze bezitten ook een aantal andere onderdelen met eigen functies: de ‘kamertjes’ van het huis. Bijvoorbeeld mitochondriën, bedoeld om energie op te wekken. Al deze onderdelen zijn in de loop van de evolutie ontstaan in onze vroege eukaryote voorouders. „Mijn doel was om hier een tijdlijn van te reconstrueren”, vertelt Vosseberg. „Want in welke volgorde die complexe celonderdelen zijn ontstaan is nog grotendeels onduidelijk, juist omdat alles zich in zo’n ver verleden heeft afgespeeld.” Sommige wetenschappers zijn bijvoorbeeld van mening dat de mitochondriën in een heel vroeg stadium in de cel terechtkwamen, andere wetenschappers zien die ‘energiefabriekjes’ juist als sluitstuk. Uit het onderzoek van Vosseberg komt nu een geheel nieuwe theorie naar voren: dat het opnemen van de mitochondriën eerder een tussenfase was.

Verdubbelingen van genen

Vosseberg reconstrueerde die tijdlijn door te kijken naar genduplicaties: verdubbelingen van genen. Die zijn voor evolutie erg handig. De ene kopie van het gen blijft de oorspronkelijke functie uitoefenen, terwijl de andere door kleine veranderingen een nieuwe rol kan aannemen. Hoe meer tijd er verstrijkt, hoe meer van die veranderingen er optreden. „In het dna van allerlei organismen heb ik naar genen met een gemeenschappelijke voorouder gezocht. Op basis daarvan heb ik een stamboom gemaakt waaraan je kunt zien hoe de evolutie van genen is verlopen, en hoe het dna van die allereerste voorouder van alle eukaryoten er moet hebben uitgezien. En daaruit kun je dan weer afleiden wat voor tussenvormen tussen prokaryoten en eukaryoten er in het verleden nog hebben bestaan, want daar vind je nu geen sporen meer van.”

Een hoop puzzelwerk, en juist dat bevalt Vosseberg zo aan zijn vakgebied: de theoretische biologie en bio-informatica. „Labwerk vind ik al snel wat repetitief worden, maar bij het computerwerk word ik uitgedaagd. Al zou het ook ontspannend zijn om af en toe lekker te kunnen pipetteren in het lab.”

Een van die uitdagingen was om op zoek te gaan naar zogeheten introns. Dat zijn stukjes dna die uit de overgeschreven streng worden geknipt voordat er een eiwit van wordt gemaakt. Het is verleidelijk om je af te vragen wat introns toevoegen, maar Vosseberg vertelt dat we ons beter kunnen afvragen hoeveel kwaad ze kunnen. „In een prokaryotische cel zouden introns schadelijk zijn. Daar vinden het overschrijven van dna en het vertalen naar een eiwit plaats in dezelfde ruimte. De introns zouden zo dus terechtkomen in het eiwit.” In een eukaryotische cel zijn deze processen dankzij de celkern gesplitst, waardoor introns er netjes uit worden gehaald. „Op de tijdlijn zie je dat er vroeg en masse introns ontstonden. Daaruit kun je dus concluderen dat er toen al een celkern aanwezig moet zijn geweest.” Hoe lang geleden dat precies is gebeurd, valt niet te zeggen. „De tijdlijn geeft alleen aan wanneer de gebeurtenissen ten opzichte van elkaar hebben plaatsgevonden.”

Asgard-archaea

Hoewel de tijdlijn meer inzicht geeft in het ontstaan van complex leven, zijn er nog altijd puzzels om op te lossen. Om die reden werkt Vosseberg nu sinds een aantal maanden als postdoc aan de Wageningen Universiteit, bij de groep van Thijs Ettema, hoogleraar microbiologie. Daarin kijkt hij naar zogeheten Asgard-archaea, prokaryoten die het meest verwant zijn aan de eukaryoten en zodoende waarschijnlijk aan de basis staan van hun ontstaan. „Ik wil dezelfde technieken die ik toepaste voor mijn proefschrift nu gebruiken voor levensvormen die nóg ouder zijn.”

In de toekomst hoopt Vosseberg ook weer meer onderwijs te gaan geven. „In mijn promotietraject heb ik een jaartje extra uitgetrokken zodat ik mijn lesbevoegdheid kon halen. ” Voor de Utrechtse biologie-opleiding heeft hij zelfs een heel nieuw bachelorvak opgezet: data science en biologie. „Daarin leren de studenten programmeren, zodat ze ook zelf puzzeltjes kunnen oplossen. Dat vak had ik zelf ook wel willen volgen tijdens mijn opleiding.”