Wat is de meest stabiele en sterke levensvorm in onze wereld? Kakkerlakken staan bekend om hun vitaliteit - veel mensen zijn ervan overtuigd dat ze zelfs een nucleaire apocalyps kunnen overleven. Tardigrades, of waterberen, zijn zelfs nog veerkrachtiger. Ze kunnen zelfs in de ruimte overleven. Er leeft één alg in de kokende zure bronnen van Yellowstone National Park. Eromheen is bijtend water, op smaak gebracht met arseen en zware metalen. Om op deze dodelijke plek in leven te blijven, gebruikte ze een onverwachte truc.
Wat is haar geheim? Diefstal. Ze steelt genen om te overleven van andere levensvormen. En deze tactiek komt veel vaker voor dan je zou denken.
De meeste levende wezens die op extreme plaatsen leven, zijn eencellige organismen - bacteriën of archaea. Deze eenvoudige en oeroude levensvormen hebben geen complexe dierlijke biologie, maar hun eenvoud is een voordeel: ze kunnen veel beter omgaan met extreme omstandigheden.
Miljarden jaren verstopten ze zich op de meest onherbergzame plaatsen - diep onder de grond, op de bodem van de oceaan, in permafrost of in kokend hete bronnen. Ze hebben een lange weg afgelegd door hun genen gedurende miljoenen of miljarden jaren te ontwikkelen, en nu helpen ze hen met vrijwel alles om te gaan.
Maar wat als andere, meer complexe wezens gewoon langs konden komen en die genen zouden stelen? Ze zouden een evolutionaire prestatie hebben geleverd. In één klap zouden ze de genetica hebben verworven waarmee ze op extreme plaatsen konden overleven. Ze zouden daar komen zonder de miljoenen jaren van vervelende en moeizame evolutie te doorlopen die gewoonlijk nodig is om deze vermogens te ontwikkelen.
Dit is precies wat de rode alg Galdieria sulphuraria deed. Het is te vinden in hete zwavelbronnen in Italië, Rusland, Yellowstone Park in de Verenigde Staten en IJsland.
Promotie video:
De temperaturen in deze warmwaterbronnen lopen op tot 56 graden Celsius. Hoewel sommige bacteriën in poelen van rond de 100 graden kunnen leven, en sommige temperaturen van rond de 110 graden, dicht bij diepzeebronnen, is het opmerkelijk dat eukaryoten een groep complexere levensvormen zijn die dieren en planten (rode algen - deze plant) - kan leven bij een temperatuur van 56 graden.
De meeste planten en dieren zouden deze temperaturen niet aankunnen, en daar is een goede reden voor. Warmte leidt tot de vernietiging van chemische bindingen in eiwitten, wat leidt tot hun ineenstorting. Dit heeft een catastrofaal effect op enzymen die de chemische reacties van het lichaam katalyseren. De membranen rond de cel beginnen te lekken. Bij het bereiken van een bepaalde temperatuur stort het membraan in en valt de cel uiteen.
Nog indrukwekkender is echter het vermogen van algen om een zure omgeving te verdragen. Sommige warmwaterbronnen hebben pH-waarden tussen 0 en 1. Positief geladen waterstofionen, ook wel protonen genoemd, maken een stof zuur. Deze geladen protonen interfereren met eiwitten en enzymen in cellen en verstoren chemische reacties die van vitaal belang zijn voor het leven.
De temperaturen in deze warmwaterbronnen lopen op tot 56 graden Celsius. Hoewel sommige bacteriën in poelen van rond de 100 graden kunnen leven, en sommige temperaturen van rond de 110 graden, dicht bij diepzeebronnen, is het opmerkelijk dat eukaryoten een groep complexere levensvormen zijn die dieren en planten (rode algen - deze plant) - kan leven bij een temperatuur van 56 graden.
De meeste planten en dieren zouden deze temperaturen niet aankunnen, en daar is een goede reden voor. Warmte leidt tot de vernietiging van chemische bindingen in eiwitten, wat leidt tot hun ineenstorting. Dit heeft een catastrofaal effect op enzymen die de chemische reacties van het lichaam katalyseren. De membranen rond de cel beginnen te lekken. Bij het bereiken van een bepaalde temperatuur stort het membraan in en valt de cel uiteen.
Nog indrukwekkender is echter het vermogen van algen om een zure omgeving te verdragen. Sommige warmwaterbronnen hebben pH-waarden tussen 0 en 1. Positief geladen waterstofionen, ook wel protonen genoemd, maken een stof zuur. Deze geladen protonen interfereren met eiwitten en enzymen in cellen en verstoren chemische reacties die van vitaal belang zijn voor het leven.
Dit fenomeen van genoverdracht staat bekend als "horizontale genoverdracht". Typisch worden levensvormgenen geërfd van ouders. Bij de mens is dit precies het geval: u kunt uw kenmerken langs de takken van uw stamboom tot aan de allereerste mensen herleiden.
Desalniettemin blijkt dat er zowel af en toe "vreemde" genen van totaal verschillende soorten in het DNA kunnen worden opgenomen. Dit proces komt veel voor bij bacteriën. Sommigen beweren dat dit zelfs bij mensen voorkomt, hoewel het wordt betwist.
Wanneer het DNA van iemand anders een nieuwe eigenaar krijgt, hoeft het niet werkeloos toe te zien. In plaats daarvan kan ze gaan werken aan de biologie van de gastheer en haar aanmoedigen om nieuwe eiwitten te maken. Dit kan de eigenaar nieuwe vaardigheden geven en hem in staat stellen te overleven in nieuwe situaties. Het gastheerorganisme kan een geheel nieuw evolutionair pad inslaan.
In totaal identificeerde Schoinknecht 75 gestolen genen uit het zeewier, die het ontleende aan bacteriën of archaea. Niet alle genen verlenen duidelijke evolutionaire voordelen aan algen, en de exacte functie van veel genen is onbekend. Maar veel van hen helpen Galdieria te overleven in extreme omgevingen.
Het vermogen om met giftige chemicaliën zoals kwik en arseen om te gaan, komt van genen die zijn geleend van bacteriën.
Een van deze genen is verantwoordelijk voor de "arseenpomp" waarmee algen effectief arseen uit cellen kunnen verwijderen. Onder andere andere gestolen genen zorgen ervoor dat de algen giftige metalen afgeven terwijl ze belangrijke metalen uit het milieu halen. Andere gestolen genen controleren enzymen waarmee algen metalen zoals kwik kunnen ontgiften.
De algen hebben ook de genen gestolen waardoor ze bestand zijn tegen hoge zoutconcentraties. Onder normale omstandigheden zal een zoute omgeving water uit de cel zuigen en het doden. Maar door verbindingen in de cel te synthetiseren om de "osmotische druk" gelijk te maken, vermijdt Galdieria dit lot.
Het vermogen van Galdieria om extreem zure warmwaterbronnen te verdragen, wordt verondersteld te wijten te zijn aan de ondoordringbaarheid voor protonen. Met andere woorden, ze kan eenvoudigweg voorkomen dat zuur haar cellen binnendringt. Om dit te doen, bevat het simpelweg minder genen die coderen voor kanalen in het celmembraan waar protonen normaal doorheen gaan. Deze kanalen laten meestal positief geladen deeltjes, zoals kalium, passeren, wat cellen nodig hebben, maar ze laten ook protonen door.
"De aanpassing aan een lage pH lijkt te zijn bereikt door elk membraantransporteiwit uit het plasmamembraan te verwijderen waardoor protonen de cel kunnen binnendringen", zegt Scheunknecht. “De meeste eukaryoten hebben meerdere kaliumkanalen in hun plasmamembranen, maar Galdieria heeft maar één gen dat codeert voor een kaliumkanaal. Door een smaller kanaal kun je een hoge zuurgraad aan."
Deze kaliumkanalen doen echter belangrijk werk, ze nemen kalium op of behouden een potentieel verschil tussen de cel en zijn omgeving. Hoe de algen gezond blijven zonder kaliumkanalen is nog niet duidelijk.
Ook weet niemand hoe de algen omgaan met hoge temperaturen. Wetenschappers zijn er niet in geslaagd genen te identificeren die dit specifieke kenmerk van haar biologie zouden verklaren.
Bacteriën en archaea, die bij zeer hoge temperaturen kunnen leven, hebben een heel ander soort eiwit en membranen, maar de alg heeft subtielere veranderingen ondergaan, zegt Scheunknecht. Hij vermoedt dat het de stofwisseling van membraanlipiden bij verschillende temperatuurstijgingen verandert, maar weet nog niet precies hoe dit gebeurt en hoe het zich hierdoor aan warmte kan aanpassen.
Het is duidelijk dat het kopiëren van genen Galdieria een enorm evolutionair voordeel geeft. Hoewel de meeste eencellige rode algen die verwant zijn aan G. sulphuraria in vulkanische gebieden leven en met matige hitte en zuren omgaan, zijn er maar weinig verwanten die zo veel hitte, zuur en toxiciteit kunnen weerstaan als G. sulphuraria. In feite is deze soort op sommige plaatsen goed voor 80-90% van het leven - dit geeft aan hoe moeilijk het voor iemand anders is om het huis van G. sulphuraria het hunne te noemen.
Er blijft nog een voor de hand liggende en interessante vraag: hoe hebben de algen zoveel genen gestolen?
Deze alg leeft in een omgeving die veel bacteriën en archaea bevat, dus in zekere zin heeft hij het vermogen om genen te stelen. Maar wetenschappers weten niet precies hoe DNA van bacteriën naar zo'n ander organisme is gesprongen. Om met succes bij de gastheer te komen, moet DNA eerst in de cel komen en vervolgens in de kern - en pas dan zichzelf opnemen in het genoom van de gastheer.
“De beste gok op dit moment is dat virussen genetisch materiaal van bacteriën en archaea naar algen kunnen overbrengen. Maar dit is pure speculatie”, zegt Scheinknecht. 'Misschien is het binnenkomen van een kooi de moeilijkste stap. Eenmaal in een cel is het misschien niet zo moeilijk om in de kern te komen en te integreren in het genoom.
Horizontale genoverdracht komt vaak voor bij bacteriën. Daarom hebben we problemen met antibioticaresistentie. Zodra een resistent gen verschijnt, verspreidt het zich snel onder bacteriën. Er werd echter aangenomen dat genuitwisseling minder vaak voorkomt bij meer geavanceerde organismen dan bij eukaryoten. Er werd aangenomen dat bacteriën speciale systemen hebben waarmee ze nucleïnezuren kunnen accepteren, zoals eukaryoten niet.
Er zijn echter al andere voorbeelden gevonden van geavanceerde wezens die genen stelen om te overleven in extreme omstandigheden. De sneeuwalgensoort Chloromonas brevispina, die in de sneeuw en het ijs van Antarctica leeft, draagt genen die waarschijnlijk afkomstig zijn van bacteriën, archaea of zelfs schimmels.
Scherpe ijskristallen kunnen celmembranen doorboren en perforeren, dus wezens die in koude klimaten leven, moeten een manier vinden om dit te bestrijden. Eén manier is om ijsbindende eiwitten (IBP's) te produceren, die worden uitgescheiden in een cel die zich vastklampt aan ijs, waardoor de groei van ijskristallen wordt gestopt.
James Raymond van de Universiteit van Nevada in Las Vegas bracht het genoom van sneeuwalgen in kaart en ontdekte dat de genen voor ijsbindende eiwitten opmerkelijk vergelijkbaar waren in bacteriën, archaea en schimmels, wat suggereert dat ze allemaal het vermogen uitwisselden om te overleven in koude omstandigheden tijdens het horizontale genoverdracht.
"Deze genen zijn essentieel om te overleven, aangezien ze in elke aan kou aangepaste algen worden aangetroffen en geen in warme omstandigheden", zegt Raymond.
Er zijn verschillende andere voorbeelden van horizontale genoverdracht in eukaryoten. Kleine kreeftachtigen die in Antarctisch zeeijs leven, lijken deze vaardigheid ook te hebben verworven. Deze Stephos longipes kunnen leven in vloeibare zoutkanalen in ijs.
"Veldmetingen hebben aangetoond dat C. longipes in onderkoelde pekel op een oppervlaktelaag van ijs leven", zegt Rainer Kiko, een wetenschapper aan het Instituut voor Polar Ecologie aan de Universiteit van Kiel in Duitsland. "Onderkoeld betekent dat de temperatuur van deze vloeistof onder het vriespunt ligt en afhankelijk is van het zoutgehalte."
Om te overleven en te voorkomen dat het bevriest, zijn moleculen aanwezig in het bloed van S. longipes en andere lichaamsvloeistoffen die het vriespunt verlagen om overeen te komen met het omringende water. Tegelijkertijd produceren schaaldieren niet-bevriezende eiwitten die voorkomen dat zich ijskristallen in het bloed vormen.
Aangenomen wordt dat dit eiwit ook werd verkregen door horizontale genoverdracht.
De prachtige monarchvlinder heeft misschien ook gestolen genen, maar dit keer van een sluipwesp.
De glanzende wesp van de Braconid-familie staat erom bekend een ei samen met een virus in een gastheerinsect te introduceren. Het DNA van het virus hackt de hersenen van de gastheer en verandert het in een zombie, die vervolgens fungeert als een incubator voor het wespenei. Wetenschappers hebben de genen van draconiden bij vlinders ontdekt, ook al hebben deze vlinders nog nooit wespen ontmoet. Er wordt aangenomen dat ze vlinders resistenter maken tegen ziekten.
Eukaryoten stelen niet alleen individuele genen. Soms zijn diefstallen enorm.
Aangenomen wordt dat het heldergroene zeeleven Elysia chlorotica het vermogen heeft verworven om te fotosynthetiseren door algen te eten. Deze zeeslak neemt chloroplasten - organellen die fotosynthese uitvoeren - heel op en slaat ze op in de spijsverteringsklieren. Wanneer erop wordt gedrukt en er zijn geen algen om te eten, kan de zeeslak overleven door de energie uit zonlicht te gebruiken om kooldioxide en water om te zetten in voedsel.
Een studie toont aan dat zeeslakken ook genen uit algen halen. Wetenschappers voegen fluorescerende DNA-markers in het algengenoom in om precies te zien waar de genen waren. Na zich te hebben gevoed met algen, verwierf de zeeslak een gen voor regeneratie van de chloroplast.
Tegelijkertijd bevatten de cellen in ons lichaam minuscule energieproducerende structuren, mitochondriën, die verschillen van de rest van onze cellulaire structuren. Mitochondriën hebben zelfs hun eigen DNA.
Er is een theorie dat mitochondriën miljarden jaren geleden als onafhankelijke levensvormen bestonden, maar op de een of andere manier begonnen te worden in de cellen van de eerste eukaryoten - misschien werden de mitochondriën ingeslikt, maar niet verteerd. Aangenomen wordt dat deze gebeurtenis ongeveer 1,5 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden en een belangrijke mijlpaal was in de evolutie van alle hogere levensvormen, planten en dieren.
Het stelen van genen kan een vrij algemene evolutionaire tactiek zijn. Ze laat tenslotte anderen al het harde werk voor je doen terwijl jij de vruchten plukt. Als alternatief kan horizontale genoverdracht een evolutionair proces versnellen dat al is begonnen.
"Een organisme dat zich niet heeft aangepast aan hitte of zuur, zal waarschijnlijk niet plotseling vulkanische poelen bevolken, simpelweg omdat het de genen heeft die het nodig heeft", zegt Scheunknecht. "Maar evolutie is bijna altijd een stapsgewijs proces, en horizontale genoverdracht maakt grote sprongen voorwaarts mogelijk."
ILYA KHEL
