De onafhankelijkste dieren op aarde? Dat zijn zonder twijfel de bdelloidea. Raderdiertjes van enkele honderden micrometers groot met een kroon van trilharen op hun hoofd, die bij voorkeur leven op plekken waar zoetwater voorkomt. Ruim vierhonderd soorten zijn er wereldwijd – sommige houden van mos, andere van korstmos, weer andere van dakgoten of kleine poeltjes. Maar één ding hebben de meeste van die soorten met elkaar gemeen: als het erop aankomt, hebben ze niets of niemand nodig.
Neem die voorkeur voor vochtige plekken. Daar gedijen de bdelloidea, daar zijn ze op hun actiefst en krijgen ze nakomelingen. Maar stel dat er géén water is, dat er sprake is van volledige uitdroging, jarenlang, ook dan overleven de raderdiertjes. Ze trekken hun kop in en hun achterste, ze krimpen tot ze een piepklein tonnetje vormen. Hun stofwisseling stopt en zo kunnen ze jaren overleven. Al in 1687 zag de Nederlandse uitvinder van de microscoop, Antoni van Leeuwenhoek, hoe de schijndode ‘wiel-animalculen’ die hij tussen bladafval in een dakgoot had ontdekt, weer tot leven kwamen nadat hij wat water had toegevoegd.
Of neem de voortplanting. Reproduceren doen soorten als Adineta vaga en Philodina roseola al als ze een paar dagen oud zijn. Zonder partner welteverstaan. Al zeker tien miljoen jaar doen bdelloidea niet aan seksuele reproductie. Ze maken gebruik van een speciale vorm van ongeslachtelijke voortplanting.
Geen water nodig dus, geen partner en zelfs geen bescherming tegen ioniserende straling. Die radioactieve, hoogenergetische straling zorgt bij levende wezens vaak voor onherstelbare schade aan cellen. Maar niet bij de bdelloidea: bij stralingsdoses die honderden malen hoger liggen dan mensen kunnen verdragen, planten zij zich nog zorgeloos voort. Ze zijn zelfs stralingsbestendiger dan het beerdiertje, dat toch ook een aanzienlijke reputatie geniet. Zo zijn de allerkleinste dieren tegelijkertijd de onoverwinnelijkste, en daardoor fascinerend voor de wetenschap.
Karine Van Doninck, hoogleraar evolutionaire biologie aan de Franstalige Université Libre de Bruxelles doet vanwege die kenmerkende eigenschappen al ruim twintig jaar onderzoek aan bdelloidea. Op tafel in haar lichte, glazen werkkamer op de campus ligt een roze knuffel: een pluizige, sterk uitvergrote versie van een raderdiertje. „Gekregen van mijn studenten.”
‘Het kán eigenlijk niet’
In haar onderzoeksgroep worden de raderdiertjes onderzocht vanuit de ecologie, de cytologie, de genetica, de moleculaire biologie, de bio-informatica en zelfs vanuit de kunst. „Ik ben geïnteresseerd in hoe levensvormen zich aanpassen aan hun omgeving, en in het bijzonder hoe aseksuele soorten dat doen. Seksuele voortplanting is immers het basismechanisme voor genetische variatie, daarmee zorg je voor divers nageslacht dat weerbaar is bij veranderende omstandigheden. Als je op aseksuele wijze alleen hetzelfde genetische materiaal doorgeeft maakt dat je kwetsbaar.”
Vanuit dat oogpunt vormen de bdelloidea binnen het dierenrijk een evolutionair schandaal. „Jezelf zonder partner voortplanten en dan toch al tientallen miljoenen jaren succesvol voortbestaan, dat kán eigenlijk niet. Zelfs bij bacteriën, die zich ook aseksueel vermeerderen, blijkt er in de praktijk genetisch materiaal te worden uitgewisseld tussen individuen. Dat zijn dus niet uitsluitend klonen van zichzelf. De grote vraag is dus: hoe zit dat bij bdelloidea? En bestaat er een verband met hun tolerantie jegens uitdroging en straling? Die puzzel zijn we hier aan het oplossen.”
Ongeslachtelijke voortplanting komt binnen het dierenrijk niet uitsluitend bij raderdiertjes voor. Er zijn allerlei insecten, reptielen, vissen, schaaldieren en zelfs vogels die doen aan parthenogenese (letterlijk: maagdelijke voortplanting). Bij zoogdieren vindt geen parthenogenese plaats, althans niet op natuurlijke wijze. In 2022 lieten onderzoekers met behulp van crispr-cas wel muizenembryo’s groeien uit onbevruchte eicellen.
„Bij parthenogenese gaat het in zijn algemeenheid om een vrouwelijke eicel die niet bevrucht wordt”, aldus Van Doninck. „Maar er zijn nog andere vormen van aseksuele voortplanting, zoals androgenese, waarbij alleen de mannelijke geslachtscellen worden doorgegeven en het vrouwelijke materiaal uit de eicel wordt gewerkt.”
Ongeslachtelijke voortplanting komt binnen het dierenrijk niet uitsluitend bij raderdiertjes voor
En zelfs binnen parthenogenese zijn er verschillende vormen mogelijk. Zo is er gynogenese, een variant waarbij wel sperma nodig is om de eicel te stimuleren, maar waarbij het mannelijke dna niet wordt gebruikt. Bij veel soorten is er bovendien sprake van facultatieve parthenogenese, waarbij dieren zich zowel geslachtelijk als ongeslachtelijk kunnen voortplanten. De aseksuele reproductie kan dan bij een vrouwtje op gang komen als er, bijvoorbeeld in een dierentuin, geen mannetje in de buurt is.
„Aanvankelijk leek er bij bdelloidea sprake te zijn van ameiotische parthenogenese”, vertelt Van Doninck. Bij de meiose ontstaan er geslachtscellen waarbij de hoeveelheid chromosomen eerst verdubbeld en daarna gehalveerd wordt, waarna nieuwe combinaties mogelijk zijn. Maar bij bdelloidea zou die meiose niet plaatsvinden, en dus zou er ook geen chromosoomhalvering of recombinatie zijn. De vooraanstaande Amerikaanse bioloog Matthew Meselson meende al in de jaren negentig te zien dat bdelloidea hun zes chromosomenparen behielden, zonder genetische uitwisseling. Het stelde hem voor een raadsel.
Van Doninck: „Als je nooit uitwisseling hebt, dan stapelen de mutaties zich op en zullen de homologe chromosomen binnen één paar steeds verder van elkaar gaan verschillen, een fenomeen dat het Meselson-effect werd gedoopt. En door die mutaties zal een soort op den duur onherroepelijk uitsterven. De vraag is dus niet zozeer hoe je kunt bestaan zonder seksuele voortplanting, maar hoe je op de langere termijn ook succesvol blijft voortbestaan.”
Prestigieuze subsidie
Van Doninck werkte vanaf 2003 aan Harvard University nauw samen met Meselson. Later zette ze het bdelloidea-onderzoek in België voort. In 2016 ontving ze een ERC-beurs, een prestigieuze Europese onderzoekssubsidie. En in die periode ontdekte een onderzoeker in haar groep bij toeval dat bdelloidea toch aan een soort meiose doen. „Dat gaat op een andere manier dan bij mensen, zonder uiteindelijke halvering van het aantal chromosomen, maar het resultaat is dat er wel degelijk recombinatie van genetisch materiaal plaatsvindt. En juist die meiose blijkt nauw samen te hangen met hun vermogen om ioniserende straling en uitdroging te boven te komen. Hun genetisch materiaal raakt bij zulke gebeurtenissen aanvankelijk wel beschadigd, maar ze kunnen het daarna verrassend goed herstellen.”
Van Doninck gaat het lab binnen en plaatst een petrischaaltje onder de microscoop. Om inzicht te krijgen in het herstelmechanisme werkt ze met één specifieke bdelloidea-soort, waarvan haar groep het volledige genoom in kaart heeft gebracht: Adineta vaga. „Het modelorganisme onder de raderdieren. Je geeft ze algen of bacteriën te eten en ze planten zich binnen een week voort.”
In beeld zijn langgerekte, halfdoorschijnende wezens te zien; de ronde kop bedekt met een krans van minuscule trilharen. Vanwege die spaakachtige haren gaf Van Leeuwenhoek ze de naam ‘wiel-animalculen’.
Om de invloed van ioniserende straling op bdelloidea te onderzoeken, stuurde Van Doninck ze ook de ruimte in. In het lab staan de modules waarin de bdelloidea meereisden op ESA-missie. „Die tonen we bij voorlichtingen aan scholieren.”
Zowel bij uitdroging als bij ioniserende straling ondervinden cellen grote oxidatieve stress, legt Van Doninck uit. Daarbij worden veel zuurstofradicalen aangemaakt. „Die maken alles kapot, inclusief het dna.”
Extreem hoge stralingsdoses
Ook de chromosomen van bdelloidea gaan erdoor kapot, maar daarna herstellen ze zich dus opvallend snel en goed. „Uit recent onderzoek, gepubliceerd in Science Advances, blijkt dat juist de meiotische fase cruciaal is voor het herstel. Als dna kapot is gegaan, is er een beperkt repertoire van reparatiemechanismes die organismen kunnen toepassen. Bij non-homologous end-joining bijvoorbeeld wordt het dna quick and dirty terug aan elkaar geplakt, maar ontstaan vaak veel mutaties en deleties. Op de langere termijn is dat funest voor de overleving, en raderdieren passen dat alleen toe in cellen die niet aan het nageslacht worden doorgegeven.
„Bij bdelloidea ontdekten we dat het belangrijkste reparatiemechanisme plaatsvindt in de eicellen, tijdens die voorheen nog onontdekte meiose.”
Bdelloidea blijken hun homologe chromosomen, dus de twee chromosomen binnen één paar, te gebruiken om reparaties uit te voeren via zogeheten homologe recombinatie. „In de nieuwe eicel die daaruit voortkomt is het dna weer intact en is er een nieuwe kopie van het homologe chromosoom.”
Soms, bij extreem hoge stralingsdoses, is de schade voor zulke recombinatie te groot. In dat geval hebben de bdelloidea nog een andere strategie, staat in een artikel dat Van Doninck onlangs met collega’s als preprint op BioRxiv publiceerde: ze geven beschadigde, in kleinere stukken gebroken chromosomen aan het nageslacht door, zodat ze bij een volgende meiose verder hersteld kunnen worden. „Zo’n generatieoverschrijdende reparatie is nog nooit eerder waargenomen en maakt ze ongelooflijk tolerant.”
Raderdiertjes hebben veel vreemd dna, van bacteriën, planten, schimmels…
De vraag blijft hoe de bdelloidea zonder genetische inmenging van buitenaf toch variatie in hun dna kunnen krijgen. Maar ook dat puzzelstukje lijkt langzaamaan op zijn plaats te vallen. „Bdelloidea lijken meer dan welke diersoort dan ook fragmenten uit hun omgeving te kunnen opnemen. Op de uiteinden van hun chromosomen bevindt zich allemaal vreemd dna, afkomstig van onder andere bacteriën, planten en schimmels. Tot wel 8 procent van hun genoom bestaat uit opgenomen materiaal. En dat is niet allemaal recent: het lijkt ook van generatie op generatie te kunnen worden doorgegeven.”
Eén van de eiwitten die de bdelloidea van bacteriën hebben gekregen, is dna-ligase E. En dat blijkt ook wat betreft stralingsbestendigheid een uitzonderlijk nuttig eiwit. „Bdelloidea hebben, net als mensen, ook hun eigen dna-ligase-eiwitten. Maar uit experimenten op menselijke cellen is bekend dat specifiek ligase-E zorgt voor een hogere resistentie tegen ioniserende straling. Dankzij die horizontale opname – dus: genetisch materiaal dat niet van generatie op generatie wordt verworven, maar vanuit de omgeving of via soortgenoten – worden bdelloidea vermoedelijk dus ook extra weerbaar.”
Wat die horizontale opname betreft lijkt het er nu op dat bdelloidea zelfs onderling genetisch materiaal kunnen uitwisselen. „Die uitwisseling, dus tussen allemaal vrouwelijke organismen onderling, hebben we sapphomixis genoemd, naar de Griekse lesbische dichteres Sappho. Andere onderzoekers hebben het inmiddels ook gezien, maar er is nog meer onderzoek nodig om het proces echt te kunnen bevestigen. Dat zou dan eigenlijk een vorm van seks zijn.”
En daarmee zouden de bdelloidea wellicht toch íets minder aseksueel en onafhankelijk zijn dan ze nu lijken.
