Wetenschappers zijn hoopvol dat een archaean kan helpen antwoorden op hoe het meercellige leven is geëvolueerd
Wetenschappers brachten meer dan een decennium door met het kweken van deze microbe, die ze noemden Prometheoarchaeum syntrophicum, uit diepzeesediment.
In 2006 zat microbioloog Hiroyuki Imachi in een kleine onderzeeër, 2500 meter onder het oppervlak van de Stille Oceaan, en zocht de oceaanbodem af op tekenen van microbieel leven.
Terwijl de onderzeeër over de bodem van de Japanse Nankai-trog dreef – een broeinest van onderbelichte microben die leven van methaan dat borrelt van tektonische gebreken – zag Imachi een nest van kleine mosselen tegen een witachtige microbiële mat, wat suggereert dat er een actief methaan sijpelt. De robotarm van de onderzeeër stak een buis van 25 centimeter in het zwartgrijze sediment om een kern van modder op te halen.
Het zou nog 12 jaar labwerk kosten voor Imachi en collega’s om een prijs te isoleren die ze niet eens hadden willen vinden – een eencellige microbe uit een oude afstamming van Archaea, een domein van het leven dat oppervlakkig lijkt op bacteriën. Die vondst zou biologen kunnen helpen bij het reconstrueren van een van de grootste sprongen van het leven naar complexiteit, van eenvoudige bacterie-achtige organismen tot meer gecompliceerde eukaryoten, de enorme groep chromosoomdragende wezens waaronder mensen, vogelbekdieren, schimmels en vele anderen.
“Geduld is erg belangrijk bij het doen van succesvolle wetenschap”, zegt Imachi, van het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology in Yokosuka. Hij en zijn collega’s publiceerden hun bevindingen op 23 januari Natuur, tot enthousiaste bijval van collega-microbiologen. “Ik heb heel veel geluk.”
Veel wetenschappers denken dat een ongebruikelijke maaltijd de evolutie van meer gecompliceerde cellen ongeveer 2 miljard jaar geleden op gang heeft gebracht. Een oude archaïsche, zo zegt de theorie, slokte een bacterie op die, in plaats van te dineren, een symbiotische relatie veroorzaakte in een proces dat endosymbiose wordt genoemd (SN: 6/8/74). Uiteindelijk evolueerde de bacterie naar mitochondriën, de energieproducerende celstructuren die de opkomst van complex leven stimuleerden.
Levende overblijfselen van oude archaeaire lijnen blijven bestaan in enkele van de meest extreme omgevingen van de aarde, en wetenschappers onderzoeken deze microbiële hotspots voor aanwijzingen over de voorouder van alle eukaryoten. Een voorbeeld van zo’n omgeving is de diepzeebodem. Ondanks dat ze ongeveer 65 procent van het aardoppervlak uitmaken, hebben biologen slechts een vaag beeld van de microbiële menigten die daar gedijen. Genetische sequentiebepaling van uitgebaggerde modder heeft biologen een manier gegeven om deze bacteriegemeenschappen en archaea te bestuderen die uniek zijn aangepast aan de koude, zuurstofloze diepte. Maar genen kunnen maar zo veel onthullen.
Dus wetenschappers proberen in het laboratorium culturen van microben te kweken om te bestuderen hoe deze organismen eruit zien en hoe ze zich gedragen. Maar extreme microben bieden unieke uitdagingen. Simpelweg deze organismen op een petrischaal plateren, voedingsstoffen leveren en wachten op groei had nog nooit gewerkt – mogelijk omdat wetenschappers de extreme omgeving van de microben niet effectief opnieuw creëerden, zegt Masaru Nobu, een microbioloog bij het National Institute of Advanced Industrial Wetenschap en technologie in Tsukuba, Japan, die zich na de start bij Imachi’s project hebben aangesloten.
Dus probeerden Imachi, Nobu en hun collega’s een methaansijpeling in het laboratorium na te maken, geïnspireerd door een bioreactor die wordt gebruikt voor de behandeling van gemeentelijk afvalwater. Het team pompte methaangas in een meter hoge cilindrische kamer, bewaard op 10 ° Celsius en gestapeld met polyurethaansponzen die poreus diepzeesediment nabootsen. Een langzame, gestage stroom van kunstmatig zeewater hield de sponzen verzadigd.
Het team verdronk vervolgens een klomp modder uit de Nankai Trough-sedimentkern, sopte de slurry op met de sponzen, stapelde ze in de reactor – en wachtte.
‘Er was veel nervositeit’, zegt Nobu over die tijd in december 2006. ‘We wisten niet of we zouden krijgen wat we wilden.’
Elk jaar analyseerden de onderzoekers genen van microben in de sponzen. Na een vluchtige eerste paar jaar begon de microbiële gemeenschap zich te stabiliseren en te groeien. “De meeste organismen die in de reactor actief waren, waren organismen die daadwerkelijk actief waren in de natuurlijke omgeving”, zegt Nobu. Met een stabiele gemeenschap van duizenden, zo niet tienduizenden, verschillende soorten microben om op te putten, zou het team kunnen proberen individuele soorten te selecteren en te kweken.
Monsters uit de reactor werden in 200 glazen flessen geplaatst, elk gevuld met een andere energiebron en een cocktail van antibiotica om bacteriën te verwijderen en verschillende archaea te laten groeien.
Het team beleefde zijn eerste eureka-moment in 2012 en ontdekte een archaeaanse nieuwheid in de wetenschap die ze MK-D1 noemden in zeer lage aantallen te midden van talrijke bacteriestammen in één fles. Maar elke keer dat het team probeerde de archaean in een nieuwe fles te isoleren, wilde de microbe gewoon niet groeien. Maanden van vallen en opstaan volgden. ‘Het was echt frustrerend’, zegt Nobu.
Toen hadden de onderzoekers een idee: misschien groeide de microbe eigenlijk, maar in een langzaam tempo, als gevolg van zijn diepzeehuis. ‘Het is daar beneden erg koud, er is niet veel energie’, zegt Nobu.
Dus het team heeft groei gemeten met een gevoeliger techniek, kwantitatieve PCR genaamd, die overvloed kan kwantificeren vanuit de snufjes DNA. En ja hoor, MK-D1 was er en groeide, alleen langzamer dan elke andere eencellige microbe ooit gekweekt. E coli, kan zichzelf bijvoorbeeld repliceren in ongeveer 20 minuten. Het verdelen van MK-D1 duurt twee tot drie weken.
‘Geen enkele microbe die we kenden, groeide zo langzaam’, zegt Nobu. ‘Dit te begrijpen was een openbaring.’
Ondertussen bracht een andere archaea-ontdekking in 2015 de wereld van de microbiële ecologie op zijn kop. Een nieuwe groep, Asgard archaea genaamd, was ontdekt uit genetisch materiaal dat uit een hydrothermale opening in de Noordelijke IJszee was gebaggerd. Asgards hebben veel eukaryote genen, waardoor sommige wetenschappers beweren dat Asgards de naaste levende verwanten zijn van oude archaea die mogelijk al het complexe leven op aarde hebben veroorzaakt (SN: 15/12/15).
Imachi en Nobu waren verbluft toen DNA-bewijs bevestigde dat ze de afgelopen negen jaar onbewust hun eigen Asgard, MK-D1, hadden gekweekt. Als het geïsoleerd zou kunnen zijn, zou het team van Imachi als eerste een glimp opvangen van een levend lid van deze opwindende maar mysterieuze groep.
De onderzoekers kregen eindelijk een stabiele cultuur van MK-D1 om te gedijen – met een bacteriële partner die het nodig heeft om te overleven – en namen in 2018 hun eerste kijkje onder een microscoop. De nette, kleine bolletjes die eerst werden gezien, leken waarschijnlijk niet het soort ding te zijn dat de complexiteit zou hebben veroorzaakt. Maar in de loop van maanden groeiden de microben vreemde, tentakelachtige uitsteeksels. Imachi “dacht aanvankelijk dat het monster besmet was”, zegt hij. Maar de observatie was goed, wat de onderzoekers ertoe aanzette een model voor te stellen voor hoe deze tentakels andere microben zouden kunnen hebben verstrikt – een waarschijnlijke eerste stap in endosymbiose.
Het team gaf MK-D1 een eigennaam, Prometheoarchaeum syntrophicum,
naar de Griekse god Prometheus die, volgens de mythen, vuur aan de mensheid heeft geïntroduceerd. Er valt nog veel te leren P. syntrophicum en wat het ons in ieder geval kan vertellen over onze oorsprong. Ondertussen zift Imachi nog steeds door de microben in zijn reactor.
Zoals hij het zelf zegt, “wachten ongekweekte microben.”
