Een nieuwe poging tot een afgewezen experiment uit 1906 suggereert dat een protist in feite kan ‘beslissen’ wat hij moet doen
Eencellig zijn betekent niet noodzakelijkerwijs een wezen tot een eenvoudig leven. Een frisse blik op een al lang afgedaan, eeuwenoud experiment suggereert dat zogenaamde primitieve organismen zich op verrassend complexe manieren kunnen gedragen.
Stentor roeseli, een kleine trompetvormige protist, kan dat ontwijken, bukken of vluchten als reactie op een irriterende prikkel, die haar gedrag verandert wanneer een strategie faalt, rapporteren onderzoekers online op 5 december in Huidige biologie. De studie suggereert dat afzonderlijke cellen, in plaats van voorgeprogrammeerd te zijn om op een bepaalde manier te reageren, in staat zijn om van gedachten te veranderen op basis van ervaring.
‘Dit fascinerende experiment herinnert ons eraan dat primitieve organismen ingewikkelde dingen kunnen doen’, zegt Sindy Tang, een cellulair ingenieur aan de Stanford University die niet bij het onderzoek betrokken was.
S. roeseli groeide op de voorgrond in 1906, toen de Amerikaanse zoöloog Herbert Spencer Jennings beschreef enkele van de meest complexe gedragingen ooit gemeld voor een eencellig organisme. De millimeter-lange zoetwaterprotist brengt een groot deel van zijn leven door met het drijven van algen, waarbij hij haarachtige trilharen op zijn lichaam gebruikt om voedsel in zijn mond te vegen.
Jennings speelde met haar S. roeseli, ze te storen met een door een pipet afgegeven stroom van een irriterend chemisch middel. In plaats van eenvoudig reflexief gedrag, documenteerde hij een complexe hiërarchie van vermijdingstactieken. Eerst zou de protist buigen om de aanval te ontwijken. Als dat niet lukte, zou het de irriterende stof afstoten door de trilharen te gebruiken om water uit zijn mond te “spugen”. Als Jennings volhield, samentrok het zijn hele lichaam om weg te krimpen. De laatste handeling was ontsnappen door los te komen van het substraat en weg te zweven.
Biologen waren destijds van mening dat afzonderlijke cellen alleen in staat zijn tot rudimentair gedrag, zoals het op of af bewegen van een bepaalde stimulus. Daarom kreeg Jennings ‘werk veel aandacht. Maar pogingen om het te repliceren mislukten en uiteindelijk werden zijn waarnemingen afgewezen.
Maar toen Jeremy Gunawardena, een systeembioloog aan de Harvard Medical School in Boston, hoorde van Jennings ‘werk tijdens een college van een collega:’ Ik was verrast en meteen gefascineerd ‘, zegt hij. “Het suggereerde dat afzonderlijke cellen een soort autonomie kunnen hebben die we tegenwoordig niet overwegen.” Gunawardena spoorde enkele van de belangrijkste replicatiestudies op en merkte een grote fout op: ze gebruikten allemaal een andere soort Stentor met een mobielere levensstijl dan S. roeseli.
Met de juiste soort in de hand, begonnen Gunawardena en zijn collega’s het eeuwenoude experiment te repliceren. In plaats van chemicaliën schoten ze op pulsen van kleine plastic kralen S. roeseli elke keer dat de cellen in rust leken te zijn en hun gedrag vastlegden.
Meer dan 57 experimenten observeerden de onderzoekers elk gedrag dat voor het eerst door Jennings werd beschreven, maar merkten aanzienlijk meer variabiliteit op dan in het oorspronkelijke experiment. Sommige cellen herhaalden dezelfde stappen of sloegen sommige helemaal over.
Aanvankelijk waren de onderzoekers verbaasd. Maar toen ze het gedrag van iedereen analyseerden S. roeseli gebruikt in de experimenten, ontstond er een hiërarchie. Vaker wel dan niet, geïrriteerd S. roeseli cel buigt eerst weg of probeert de kralen uit te spugen. Vervolgens zal het ofwel samentrekken of loskomen, maar de onderzoekers hebben nooit gezien dat een cel loskomt zonder eerst te samentrekken.
Deze resultaten suggereren dat S. roeseli kunnen in zekere zin van gedachten veranderen over hoe te reageren op een irriterend middel, zeggen de onderzoekers. ‘We hebben laten zien dat een enkele cel in staat is tot redelijk geavanceerde besluitvorming’, zegt Gunawardena.
Het team was vooral verrast toen ze ontdekten dat, na eenmaal een contract te hebben afgesloten, de kans 50-50 is S. roeseli zal weer samentrekken of loskomen. Dat is een besluitvormingsproces dat lijkt op het opgooien van een munt. Zo’n onvoorspelbaarheid zou kunnen geven S. roeseli een voordeel om roofdieren scherp te houden, zegt Gunawardena.
Kirsty Wan, een biofysicus aan de University of Exeter in Engeland, verwelkomt het opnieuw bezoeken van Jennings ‘werk. Het is “een goed begin om te begrijpen hoe deze specifieke cellen beslissingen nemen”, zegt ze. Het gebruik van software om bepaalde gedragstoestanden aan te duiden, in plaats van te vertrouwen op de subjectieve beoordeling van een onderzoeker, zou toekomstige studies kunnen versterken, zegt ze.
Gunawardena hoopt dat deze studie biologen ertoe zal aanzetten om anders over cellen te denken. In plaats van genetisch geprogrammeerd te zijn om uniform te reageren op een of andere stimulus, zegt hij dat individuele cellen in plaats daarvan kunnen worden geprogrammeerd met ‘machines die de cel enige autonomie geven over wat ze doet, afhankelijk van de context’.