Wetenschappers hebben mogelijk een ontbrekende schakel gevonden tussen eenvoudige en complexe cellen, waaruit alle dieren, planten en schimmels bestaan.
Wetenschappers beschouwen eencellige organismen, Archaea genaamd, tussen primitieve bacteriën, die een kern missen, en complexere cellen, of eukaryoten, op de evolutionaire tijdlijn. Net als hun bacteriële neven mist Archaea een kern, maar de microben bevatten DNA en DNA-replicerende enzymen die sterk lijken op die in eukaryoten.
Sommige wetenschappers theoretiseren dat eukaryoten ongeveer 2 miljard jaar geleden zijn geëvolueerd uit deze tussenliggende organismen, toen een oude archaea een passerend micro-organisme pakte, het in zijn cellulaire buik zoog en het transformeerde in een geïmproviseerde kern. Anderen suggereren dat een voorouderlijke archaea dwalende 'blebs' uitzond, opgebouwd uit zijn eigen celwand, die vasthielden aan en vervolgens nuttige eencellige organismen integreerden die functioneerden als moderne organellen, of de orgaanachtige structuren in cellen die gespecialiseerde functies.
De details rond deze belangrijke evolutionaire gebeurtenis blijven duister, deels omdat wetenschappers weinig bewijs hebben gevonden voor de overgangsperiode tussen eenvoudige en complexe cellen. Maar nu hebben onderzoekers een potentiële brug tussen prokaryoten en eukaryoten gevonden: een opvallende overeenkomst die in hun eiwitten is gecodeerd.
In eukaryoten dragen bepaalde eiwitten korte sequenties, bekend als nucleaire lokalisatiesignalen of NLS's, om de kern binnen te gaan. Transporteiwitten binden zich aan NLS's en begeleiden vervolgens een ander molecuul door de poriën in het kernmembraan. In wezen fungeren NLS's als een mobiele beveiligingsbadge.
Hoewel Archaea geen kernen heeft, dragen sommige van hun eiwitten sowieso NLS-achtige badges, volgens de studie die op 10 september in het tijdschrift Molecular Biology and Evolution is gepubliceerd. De auteurs suggereren dat NLS's ouder zijn dan de oorsprong van de kern en mogelijk hebben gediend als een evolutionaire opstap waarmee de archaea geleidelijk kon evolueren naar een complex leven.
'De natuur heeft de neiging om uit te vinden wat ze al heeft', zegt evolutiebioloog Sergey Melnikov, postdoctoraal onderzoeker aan de Yale University en co-auteur van de studie.
Deze NLS-badges leveren het bewijs van een tussenvorm tussen eenvoudige en complexe cellen - een bevinding die overeenkomt met het ontdekken van een vogelachtige dinosaurus of kruipende vis als paleontoloog, vertelde Melnikov aan LIve Science. "Dit is vrij uniek om te beweren dat deze in Archaea bestaan ... Niemand had zelfs gedacht dat ze NLS's in Archaea zouden moeten zoeken", zegt computerbioloog Aravind Iyer, die de evolutie van proteïne en genoom bestudeert bij het National Center for Biotechnology Information, maar was niet betrokken bij de huidige studie.
Maar niet iedereen is ervan overtuigd: twee experts vertelden WordsSideKick.com dat NLS's misschien niet het evolutionaire rookpistool zijn dat laat zien hoe eenvoudige cellen evolueerden naar complexere.
Graven naar cellulaire fossielen
In plaats van door skeletresten te graven, ging Melnikov door de ribosomale eiwitten van cellen graven om hun evolutionaire geschiedenis samen te stellen. (Ribosomen zijn cellulaire fabrieken die helpen bij het samenstellen van eiwitten.)
'Er zijn maar een handvol genen die alomtegenwoordig zijn', wat betekent dat ze in alle levensvormen aanwezig zijn, zei Melnikov. Ongeveer de helft van die geconserveerde genen codeert voor ribosomale eiwitten, legde hij uit, een feit dat suggereert dat de eiwitten een lange evolutionaire erfenis hebben, die mogelijk teruggaat tot het begin van het leven zelf. Bij eukaryoten komen ribosomale eiwitten de te wijzigen kern binnen voordat ze zich in het cytoplasma vestigen; ze genieten van gemakkelijke toegang tot de kern dankzij hun NLSs.
Door de structuur van ribosomale eiwitten die zijn bemonsterd uit alle drie de levensdomeinen - Archaea, Bacteria en Eukarya - te vergelijken, wilde Melnikov deze kenmerkende sequenties herkennen. De Archaea-groepen die hij onderzocht, behoren tot de groepen die tegenwoordig in de natuur voorkomen.
Ziet u, Melnikov en zijn collega's hebben vier archaeale eiwitten opgegraven die zijn uitgerust met veiligheidsbadges die vergelijkbaar zijn met hun eukaryote tegenhangers. NLS-achtige sequenties verschenen in meerdere groepen van Archaea, dus de onderzoekers concludeerden dat de functie al vroeg in de archaeaanse evolutionaire geschiedenis was verschenen. (In Archaea helpen de NLS echter waarschijnlijk voornamelijk de organismen om nucleïnezuren, de bouwstenen van DNA en RNA gemakkelijker te identificeren. Hoewel eukaryote NLS's ook deze functie vervullen, staan ze beter bekend om het helpen van eiwitten in de kern.)
Het team ging verder met het testen of de NLS's functioneel uitwisselbaar waren in verschillende levensrijken, waarbij een eukaryotische badge werd vervangen door een archaeaale badge. Onder een lichtmicroscoop leken de archaeale NLS's te werken net als eukaryote NLS's en gaven hun geassocieerde eiwitten VIP-toegang tot de kern. Ondanks het delen van dezelfde functies, zijn de NLS's in eukaryoten en Archaea mogelijk niet evolutionair gerelateerd, zeggen experts.
Iyer blijft bijvoorbeeld twijfelachtig over de bevinding. NLS's bestaan uit slechts vijf tot zes eiwitbouwstenen, aminozuren genoemd. Vanwege hun korte lengte en specifieke chemische structuur, is het waarschijnlijk dat NLS's bij toeval in eiwitten verschijnen, vertelde Iyer aan WordsSideKick.com.
Met andere woorden, de archaeale en eukaryotische sequenties zijn mogelijk onafhankelijk opgedoken en zouden daarom niet evolutionair gerelateerd zijn. Iyer zei dat hij er meer van overtuigd zou zijn als verder onderzoek archaeale NLS's in aanvullende eiwitten aan het licht brengt, die vergelijkbaar zijn met die welke in eukaryoten de kern binnenkomen.
"Uiteindelijk laat dit alleen maar zien dat deze sequenties waarschijnlijk voorafgingen aan kernen", vertelde Buzz Baum, een cel en evolutiebioloog aan het MRC Laboratory for Molecular Cell Biology in Engeland, WordsSideKick.com in een e-mail. Archaea die veel genetische overeenkomsten vertonen met moderne eukaryoten missen nog steeds kernen en organellen, legde hij uit, dus het is moeilijk te zien hoe deze NLS's hebben geleid tot de ontwikkeling van kernen.
- Extreme Life on Earth: 8 Bizarre Creatures | WordsSideKick.com
- 7 Theorieën over de oorsprong van het leven | WordsSideKick.com
- Galerij: Rainbow of Life in Great Salt Lake | Extremofielen | Leven…
Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.
