Ontdekking groep micro-organismen werpt nieuw licht op complex leven

Het leven op aarde kan worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen. Twee van deze groepen bestaan uit microscopisch minuscule microbiële levensvormen, de bacteriën en de archaea. Tot de derde groep organismen behoren alle zichtbare levensvormen, zoals dieren, schimmels en planten. Deze groep staat gezamenlijk bekend als de ‘eukaryoten’. De cellen van bacteriën en archaea zijn over het algemeen klein en eenvoudig, maar eukaryoten bestaan uit cellen die over het algemeen groot zijn en een complexe structuur en organisatie hebben.

Onder evolutiebiologen wordt naarstig gediscussieerd over de oorsprong van eukaryote cellen, en met name van hun complexe eigenschappen. Een internationaal collectief van onderzoekers onder leiding van Wageningen Universiteit heeft een groep archaea gevonden die de naaste verwanten vormen van eukaryote cellen. Dit geeft nieuwe inzichten in de evolutionaire overgang van eenvoudige naar complexe cellen.

Nieuwe tak levensboom

Aan het eind van de jaren ‘70 van de vorige eeuw ontdekte de bekende bioloog Carl Woese de archaea, een groep micro-organismen die evolutionair verschilde van bacteriën en die een compleet nieuwe tak in de levensboom bleek te vormen.

Woese ontdekte dat archaea en eukaryoten een gemeenschappelijke voorouder hadden, maar de precieze relatie tussen de twee bleef tientallen jaren onduidelijk. Dit veranderde met de ontdekking van de Asgard-archaea in 2015: een diverse groep archaea die de naaste microbiële verwanten van de eukaryoten zijn in de levensboom. Het genoom van de Asgard-archaea bleek genen te bevatten die verder uitsluitend bij eukaryoten voorkomen.

In de editie van Nature van deze week laten onderzoekers van Wageningen University weten, samen met collega-onderzoekers uit Zweden, de VS, Japan, China, Denemarken en Nieuw-Zeeland, dat ze verschillende nieuwe Asgard-archaea hebben gevonden. Een specifieke subgroep daarvan, de Hodarchaeales, is geïdentificeerd als de naaste verwanten van eukaryoten. Deze ontdekking heeft belangrijke nieuwe kennis opgeleverd over hoe eukaryote cellen zo complex zijn geworden.

Naaste verwanten van eukaryoten

‘De oorsprong van de eukaryote cel is een van de raadselachtigste gebeurtenissen in de evolutie van het leven op aarde, en veel belangrijke aspecten hiervan zijn nog altijd onduidelijk. De wetenschap is het met name niet eens over hoe het komt dat eukaryote cellen zo complex van bouw zijn, met meerdere celonderdelen. In dit onderzoek hebben we een specifieke groep Asgard-archaea geïdentificeerd, de Hodarchaeales, als de naaste verwanten van eukaryoten.

Daarbij leveren we bewijs dat de genetische basis van een deel van de complexiteit van de eukaryoten terug te voeren is op de Asgard-archaea’, vertelt Thijs Ettema van het Laboratorium voor Microbiologie aan Wageningen University, die het wetenschappelijke team leidde dat het onderzoek uitvoerde.

‘In ons onderzoek hebben we veel gedetailleerde fylogenetische analyses van genoomgegevens uitgevoerd om te bepalen welke microbiële groep de naaste verwanten van de eukaryoten vormen in de levensboom. Het traceren van zulke evolutionaire relaties is bijzonder ingewikkeld omdat hun laatste gemeenschappelijke voorouder zo'n 2 miljard jaar geleden leefde.

Sindsdien is het evolutionaire signaal dat nodig is om hun verwantschap te traceren steeds verder vervaagd door de opeenstapeling van mutaties in hun genomen. Toch zijn we er in een fylogenetische tour de force van meerdere jaren in geslaagd om de Hodarchaeales te identificeren als de naaste verwanten van de eukaryoten’, vertelt Laura Eme, co-hoofdauteur van het artikel. Zij werkte voorheen als onderzoeker in het lab van Thijs Ettema en leidt momenteel haar eigen onderzoeksgroep aan de Universiteit Parijs-Saclay in Frankrijk.

Het onderzoek gaf ook inzicht in de aard van de laatste gemeenschappelijke voorouder van de Asgard-archaea en de eukaryoten.

Hoge duplicatiegraad van genen

‘We hebben ontdekt dat zowel de Asgard-archaea als de eukaryoten afstammen van een organisme met meerdere genen voor complexe cellulaire processen, die eerder alleen bij eukaryoten waren gevonden. Bovendien kwamen we erachter dat diverse van zijn genen zijn geëvolueerd via genduplicatie. Dit is verrassend, want we weten dat archaea en bacteriën, in tegenstelling tot eukaryoten, genen meestal verwerven van andere micro-organismen.

Dat proces wordt horizontale genoverdracht genoemd. De waargenomen hoge duplicatiegraad van genen in de Asgard-archaea duidt erop dat hun genoom al op een enigszins vergelijkbare manier is geëvolueerd als dat van eukaryoten’, zegt co-hoofdauteur Daniel Tamarit, voorheen onderzoeker in Ettema's lab en momenteel werkzaam als hoofd van een onderzoeksgroep aan de Universiteit Utrecht.

Een belangrijk doel voor Thijs Ettema en zijn onderzoeksgroep is om de Asgard-archaea in meer detail te onderzoeken. De wetenschappers hebben de Asgard-archaea voornamelijk onderzocht aan de hand van analyse van genoomgegevens, maar proberen ze nu ook te kweken in Ettema's laboratorium in Wageningen.

‘Het kweken van Asgard-archaea in het lab is een moeizaam process. Ze groeien namelijk erg langzaam en we hebben hun metabolisme nog niet goed in kaart gebracht. Toch is onlangs door enkele onderzoeksgroepen aangetoond dat het kan. Ik weet zeker dat we door gedetailleerder onderzoek naar de Asgard-archaea meer belangrijke aanwijzingen zullen verkrijgen over hoe het complexe leven is geëvolueerd. Er vallen steeds meer puzzelstukjes op hun plek’, zegt Thijs Ettema tot slot.