Bouwstenen die cellen van mensen, dieren en planten zo geavanceerd maken, blijken ouder dan wetenschappers tot nu toe vermoedden. Ze waren al aanwezig in onze eencellige voorouder die 2,5 miljard jaar geleden leefde. Dat concluderen Wageningse en Amerikaanse wetenschappers in twee studies die ze publiceerden in Nature en Nature Microbiology.

Onze eencellige voorouder leefde in een wereld zonder planten, dieren of zuurstofrijke oceanen. Toch zette juist dit eenvoudig ogende micro-organisme de eerste stappen richting complex leven. Uit deze voorouder ontstond al het meercellige (complexe) leven dat we vandaag kennen: van gist tot de blauwe vinvis, samen ook wel eukaryoten genoemd. Die organismen bestaan uit cellen waarin onderdelen zoals de celkern en andere gespecialiseerde structuren elk hun eigen functie vervullen. Lange tijd gold het beeld dat de voorouder zelf nog weinig voorstelde; een bacterieachtige primitief, ver verwijderd van de verfijning van menselijke cellen. Het nieuwe onderzoek schetst een ander beeld: deze microbiële voorouder had mogelijk al een verrassend uitgebreide moleculaire gereedschapskist.

Verre neefjes
Omdat niemand kan terugreizen naar het moment waarop onze microbiële voorouder leefde, moesten de onderzoekers het anders aanpakken. De Wageningse Thijs Ettema, hoogleraar Microbiologie, werkte mee aan beide publicaties: “We kijken naar de twee groepen organismen die van dezelfde gemeenschappelijke voorouder afstammen.” Aan de ene kant zijn dat de eukaryoten, zoals mensen, dieren en schimmels. Aan de andere kant staan de Asgard-archaea: eencellige micro-organismen die pas tien jaar geleden zijn ontdekt in diepzeesedimenten. Omdat we beide van dezelfde voorouder afstammen, zijn die Asgard-archaea en wij evolutionair gezien verre neefjes van elkaar. Gedeelde genetische informatie hebben we dus hoogstwaarschijnlijk geërfd van onze eencellige, gemeenschappelijke voorouder.

De onderzoekers verzamelden genetisch materiaal van ruim vierhonderd verschillende Asgard-archaea uit onder de Chinese Golf van Bohai en de Golf van Californië en lazen hun genetische informatie uit. Op basis van de DNA-code bleek de overeenkomst met eukaryoten beperkt. Dat is niet zo vreemd: beide groepen hebben in de afgelopen twee miljard jaar evolutie ondergaan, waarbij hun DNA steeds een beetje veranderde. Daarom verlegden de wetenschappers hun blik van DNA naar eiwitten, de moleculaire machines waarvoor DNA codeert en die het werk in de cel uitvoeren. “We richtten ons met name op de eiwitstructuur”, zegt Ettema.

Eiwitstructuur vergelijken
Elk eiwit vouwt zichzelf op tot een specifieke driedimensionale structuur; die vorm bepaalt de functie van het eiwit. Cruciaal is dat zulke structuren veel langzamer veranderen dan DNA-sequenties. Met kunstmatige intelligentie, zoals het programma AlphaFold, voorspelden de onderzoekers de 3D-structuur van ruim 35 duizend Asgard-archaea-eiwitten en vergeleken die met eiwitten uit eukaryoten. Wat bleek? Asgard-archaea bevatten zo’n 1300 eiwitten waarvan eerder werd gedacht dat ze uitsluitend in eukaryoten voorkwamen. Het gaat om eiwitten die een rol spelen in processen zoals transport en opslag binnen de cel, en het vormen van compartimenten – functies die kenmerkend zijn voor complexe cellen van mensen en andere eukaryoten. Omdat die eiwitten voorkomen in beide afstammingslijnen, hebben ze die waarschijnlijk geërfd van hun gemeenschappelijke voorouder. ‘Dat betekent dat onze microbiële voorouder over een grotere eukaryote toolkit beschikte dan we altijd hebben aangenomen,’ zegt Ettema.

Dat beeld krijgt inmiddels ook voorzichtig steun van wat wetenschappers onder de microscoop zien. Asgard-archaea kweken in het lab is lastig, vertelt Ettema: ze leven van nature in zuurstofarme omgevingen, groeien langzaam en doen soms weken over een enkele celdeling. Toch lukt het onderzoekers steeds beter om Asgard-archaea in het lab te laten groeien. En dat levert nieuwe inzichten op. Onder de microscoop blijken sommige soorten verrassende structuren te hebben, zoals tentakelachtige uitlopers waarmee ze zich voortbewegen, en interne blaasjes en membranen, kenmerken die doen denken aan de compartimenten van eukaryote cellen.

Bewapenen tegen zuurstof
Ook op een ander punt verschuift het beeld. Tot nu toe werden Asgard-archaea uitsluitend aangetroffen in zuurstofloze omgevingen, zoals in diepzeesedimenten. In de nieuwe Nature-studie vonden onderzoekers Asgard-archaea in zuurstofrijke omgevingen, met in hun DNA genen die betrokken zijn bij zuurstofverwerking. ‘Deze microben hebben zich bewapend tegen zuurstof,’ zegt Ettema. Voor de eerste organismen op aarde was zuurstof namelijk puur vergif. ‘Mogelijk kunnen sommige Asgard-archaea het zelfs gebruiken om energie uit te halen.’ Toch is het nog maar de vraag of ze dat talent hebben geërfd van onze gedeelde voorouder, of in de afgelopen 2 miljard jaar zelf verworven hebben. Eukaryoten gebruiken namelijk een ander trucje om energie te maken met zuurstof: mitochondriën. Deze ‘energiefabriekjes’ in onze cellen stammen af van ooit vrijlevende bacteriën en bevatten hun eigen DNA, inclusief genen voor ademhaling.

Technologische revolutie
Vlak nadat Ettema en zijn collega’s de Asgard-archaea ontdekten, tien jaar geleden, kwamen ze de gelijkenis met eukaryoten ook al op het spoor. Alleen hadden ze toen nog weinig bewijs. “We hadden slechts genetische informatie van één Asgard-archaeon”, zegt de microbioloog. “We vonden genen die een beetje leken op die van complexere levensvormen zoals mensen, dieren en planten, maar die overeenkomst was nog niet zo overtuigend.” Kortom: de onzekerheid was groot. Maar de razendsnelle technologische ontwikkelingen rondom DNA-sequencing en eiwitstructuurvoorspellende kunstmatige intelligentie van de afgelopen jaren openden deuren voor grondiger onderzoek. Een kans die Ettema met twee handen aangreep en daarmee bewees dat zijn ingeving van tien jaar gelden inderdaad klopt.

Hoe onze eencellige voorouder er precies uitzag en of de oeroude eiwitten dezelfde functie vervulden in onze eencellige voorouder als in eukaryoten, blijft voorlopig een open vraag. Maar dat die verre voorouder al de potentie had om zich te ontwikkelen tot complexe cellen waaruit wij bestaan, lijkt niet meer te ontkennen.